Species distribution models for conservation-oriented studies in Switzerland : filling data and tools gaps

SUMMARYSpecies distribution models (SDMs) represent nowadays an essential tool in the research fields of ecology and conservation biology. By combining observations of species occurrence or abundance with information on the environmental characteristic of the observation sites, they can provide information on the ecology of species, predict their distributions across the landscape or extrapolate them to other spatial or time frames. The advent of SDMs, supported by geographic information systems (GIS), new developments in statistical models and constantly increasing computational capacities, has revolutionized the way ecologists can comprehend species distributions in their environment. SDMs have brought the tool that allows describing species realized niches across a multivariate environmental space and predict their spatial distribution. Predictions, in the form of probabilistic maps showing the potential distribution of the species, are an irreplaceable mean to inform every single unit of a territory about its biodiversity potential. SDMs and the corresponding spatial predictions can be used to plan conservation actions for particular species, to design field surveys, to assess the risks related to the spread of invasive species, to select reserve locations and design reserve networks, and ultimately, to forecast distributional changes according to scenarios of climate and/or land use change.By assessing the effect of several factors on model performance and on the accuracy of spatial predictions, this thesis aims at improving techniques and data available for distribution modelling and at providing the best possible information to conservation managers to support their decisions and action plans for the conservation of biodiversity in Switzerland and beyond. Several monitoring programs have been put in place from the national to the global scale, and different sources of data now exist and start to be available to researchers who want to model species distribution. However, because of the lack of means, data are often not gathered at an appropriate resolution, are sampled only over limited areas, are not spatially explicit or do not provide a sound biological information. A typical example of this is data on 'habitat' (sensu biota). Even though this is essential information for an effective conservation planning, it often has to be approximated from land use, the closest available information. Moreover, data are often not sampled according to an established sampling design, which can lead to biased samples and consequently to spurious modelling results. Understanding the sources of variability linked to the different phases of the modelling process and their importance is crucial in order to evaluate the final distribution maps that are to be used for conservation purposes.The research presented in this thesis was essentially conducted within the framework of the Landspot Project, a project supported by the Swiss National Science Foundation. The main goal of the project was to assess the possible contribution of pre-modelled 'habitat' units to model the distribution of animal species, in particular butterfly species, across Switzerland. While pursuing this goal, different aspects of data quality, sampling design and modelling process were addressed and improved, and implications for conservation discussed. The main 'habitat' units considered in this thesis are grassland and forest communities of natural and anthropogenic origin as defined in the typology of habitats for Switzerland. These communities are mainly defined at the phytosociological level of the alliance. For the time being, no comprehensive map of such communities is available at the national scale and at fine resolution. As a first step, it was therefore necessary to create distribution models and maps for these communities across Switzerland and thus to gather and collect the necessary data. In order to reach this first objective, several new developments were necessary such as the definition of expert models, the classification of the Swiss territory in environmental domains, the design of an environmentally stratified sampling of the target vegetation units across Switzerland, the development of a database integrating a decision-support system assisting in the classification of the relevés, and the downscaling of the land use/cover data from 100 m to 25 m resolution.The main contributions of this thesis to the discipline of species distribution modelling (SDM) are assembled in four main scientific papers. In the first, published in Journal of Riogeography different issues related to the modelling process itself are investigated. First is assessed the effect of five different stepwise selection methods on model performance, stability and parsimony, using data of the forest inventory of State of Vaud. In the same paper are also assessed: the effect of weighting absences to ensure a prevalence of 0.5 prior to model calibration; the effect of limiting absences beyond the environmental envelope defined by presences; four different methods for incorporating spatial autocorrelation; and finally, the effect of integrating predictor interactions. Results allowed to specifically enhance the GRASP tool (Generalized Regression Analysis and Spatial Predictions) that now incorporates new selection methods and the possibility of dealing with interactions among predictors as well as spatial autocorrelation. The contribution of different sources of remotely sensed information to species distribution models was also assessed. The second paper (to be submitted) explores the combined effects of sample size and data post-stratification on the accuracy of models using data on grassland distribution across Switzerland collected within the framework of the Landspot project and supplemented with other important vegetation databases. For the stratification of the data, different spatial frameworks were compared. In particular, environmental stratification by Swiss Environmental Domains was compared to geographical stratification either by biogeographic regions or political states (cantons). The third paper (to be submitted) assesses the contribution of pre- modelled vegetation communities to the modelling of fauna. It is a two-steps approach that combines the disciplines of community ecology and spatial ecology and integrates their corresponding concepts of habitat. First are modelled vegetation communities per se and then these 'habitat' units are used in order to model animal species habitat. A case study is presented with grassland communities and butterfly species. Different ways of integrating vegetation information in the models of butterfly distribution were also evaluated. Finally, a glimpse to climate change is given in the fourth paper, recently published in Ecological Modelling. This paper proposes a conceptual framework for analysing range shifts, namely a catalogue of the possible patterns of change in the distribution of a species along elevational or other environmental gradients and an improved quantitative methodology to identify and objectively describe these patterns. The methodology was developed using data from the Swiss national common breeding bird survey and the article presents results concerning the observed shifts in the elevational distribution of breeding birds in Switzerland.The overall objective of this thesis is to improve species distribution models as potential inputs for different conservation tools (e.g. red lists, ecological networks, risk assessment of the spread of invasive species, vulnerability assessment in the context of climate change). While no conservation issues or tools are directly tested in this thesis, the importance of the proposed improvements made in species distribution modelling is discussed in the context of the selection of reserve networks.RESUMELes modèles de distribution d'espèces (SDMs) représentent aujourd'hui un outil essentiel dans les domaines de recherche de l'écologie et de la biologie de la conservation. En combinant les observations de la présence des espèces ou de leur abondance avec des informations sur les caractéristiques environnementales des sites d'observation, ces modèles peuvent fournir des informations sur l'écologie des espèces, prédire leur distribution à travers le paysage ou l'extrapoler dans l'espace et le temps. Le déploiement des SDMs, soutenu par les systèmes d'information géographique (SIG), les nouveaux développements dans les modèles statistiques, ainsi que la constante augmentation des capacités de calcul, a révolutionné la façon dont les écologistes peuvent comprendre la distribution des espèces dans leur environnement. Les SDMs ont apporté l'outil qui permet de décrire la niche réalisée des espèces dans un espace environnemental multivarié et prédire leur distribution spatiale. Les prédictions, sous forme de carte probabilistes montrant la distribution potentielle de l'espèce, sont un moyen irremplaçable d'informer chaque unité du territoire de sa biodiversité potentielle. Les SDMs et les prédictions spatiales correspondantes peuvent être utilisés pour planifier des mesures de conservation pour des espèces particulières, pour concevoir des plans d'échantillonnage, pour évaluer les risques liés à la propagation d'espèces envahissantes, pour choisir l'emplacement de réserves et les mettre en réseau, et finalement, pour prévoir les changements de répartition en fonction de scénarios de changement climatique et/ou d'utilisation du sol. En évaluant l'effet de plusieurs facteurs sur la performance des modèles et sur la précision des prédictions spatiales, cette thèse vise à améliorer les techniques et les données disponibles pour la modélisation de la distribution des espèces et à fournir la meilleure information possible aux gestionnaires pour appuyer leurs décisions et leurs plans d'action pour la conservation de la biodiversité en Suisse et au-delà. Plusieurs programmes de surveillance ont été mis en place de l'échelle nationale à l'échelle globale, et différentes sources de données sont désormais disponibles pour les chercheurs qui veulent modéliser la distribution des espèces. Toutefois, en raison du manque de moyens, les données sont souvent collectées à une résolution inappropriée, sont échantillonnées sur des zones limitées, ne sont pas spatialement explicites ou ne fournissent pas une information écologique suffisante. Un exemple typique est fourni par les données sur 'l'habitat' (sensu biota). Même s'il s'agit d'une information essentielle pour des mesures de conservation efficaces, elle est souvent approximée par l'utilisation du sol, l'information qui s'en approche le plus. En outre, les données ne sont souvent pas échantillonnées selon un plan d'échantillonnage établi, ce qui biaise les échantillons et par conséquent les résultats de la modélisation. Comprendre les sources de variabilité liées aux différentes phases du processus de modélisation s'avère crucial afin d'évaluer l'utilisation des cartes de distribution prédites à des fins de conservation.La recherche présentée dans cette thèse a été essentiellement menée dans le cadre du projet Landspot, un projet soutenu par le Fond National Suisse pour la Recherche. L'objectif principal de ce projet était d'évaluer la contribution d'unités 'd'habitat' pré-modélisées pour modéliser la répartition des espèces animales, notamment de papillons, à travers la Suisse. Tout en poursuivant cet objectif, différents aspects touchant à la qualité des données, au plan d'échantillonnage et au processus de modélisation sont abordés et améliorés, et leurs implications pour la conservation des espèces discutées. Les principaux 'habitats' considérés dans cette thèse sont des communautés de prairie et de forêt d'origine naturelle et anthropique telles que définies dans la typologie des habitats de Suisse. Ces communautés sont principalement définies au niveau phytosociologique de l'alliance. Pour l'instant aucune carte de la distribution de ces communautés n'est disponible à l'échelle nationale et à résolution fine. Dans un premier temps, il a donc été nécessaire de créer des modèles de distribution de ces communautés à travers la Suisse et par conséquent de recueillir les données nécessaires. Afin d'atteindre ce premier objectif, plusieurs nouveaux développements ont été nécessaires, tels que la définition de modèles experts, la classification du territoire suisse en domaines environnementaux, la conception d'un échantillonnage environnementalement stratifié des unités de végétation cibles dans toute la Suisse, la création d'une base de données intégrant un système d'aide à la décision pour la classification des relevés, et le « downscaling » des données de couverture du sol de 100 m à 25 m de résolution. Les principales contributions de cette thèse à la discipline de la modélisation de la distribution d'espèces (SDM) sont rassemblées dans quatre articles scientifiques. Dans le premier article, publié dans le Journal of Biogeography, différentes questions liées au processus de modélisation sont étudiées en utilisant les données de l'inventaire forestier de l'Etat de Vaud. Tout d'abord sont évalués les effets de cinq méthodes de sélection pas-à-pas sur la performance, la stabilité et la parcimonie des modèles. Dans le même article sont également évalués: l'effet de la pondération des absences afin d'assurer une prévalence de 0.5 lors de la calibration du modèle; l'effet de limiter les absences au-delà de l'enveloppe définie par les présences; quatre méthodes différentes pour l'intégration de l'autocorrélation spatiale; et enfin, l'effet de l'intégration d'interactions entre facteurs. Les résultats présentés dans cet article ont permis d'améliorer l'outil GRASP qui intègre désonnais de nouvelles méthodes de sélection et la possibilité de traiter les interactions entre variables explicatives, ainsi que l'autocorrélation spatiale. La contribution de différentes sources de données issues de la télédétection a également été évaluée. Le deuxième article (en voie de soumission) explore les effets combinés de la taille de l'échantillon et de la post-stratification sur le la précision des modèles. Les données utilisées ici sont celles concernant la répartition des prairies de Suisse recueillies dans le cadre du projet Landspot et complétées par d'autres sources. Pour la stratification des données, différents cadres spatiaux ont été comparés. En particulier, la stratification environnementale par les domaines environnementaux de Suisse a été comparée à la stratification géographique par les régions biogéographiques ou par les cantons. Le troisième article (en voie de soumission) évalue la contribution de communautés végétales pré-modélisées à la modélisation de la faune. C'est une approche en deux étapes qui combine les disciplines de l'écologie des communautés et de l'écologie spatiale en intégrant leurs concepts de 'habitat' respectifs. Les communautés végétales sont modélisées d'abord, puis ces unités de 'habitat' sont utilisées pour modéliser les espèces animales. Une étude de cas est présentée avec des communautés prairiales et des espèces de papillons. Différentes façons d'intégrer l'information sur la végétation dans les modèles de répartition des papillons sont évaluées. Enfin, un clin d'oeil aux changements climatiques dans le dernier article, publié dans Ecological Modelling. Cet article propose un cadre conceptuel pour l'analyse des changements dans la distribution des espèces qui comprend notamment un catalogue des différentes formes possibles de changement le long d'un gradient d'élévation ou autre gradient environnemental, et une méthode quantitative améliorée pour identifier et décrire ces déplacements. Cette méthodologie a été développée en utilisant des données issues du monitoring des oiseaux nicheurs répandus et l'article présente les résultats concernant les déplacements observés dans la distribution altitudinale des oiseaux nicheurs en Suisse.L'objectif général de cette thèse est d'améliorer les modèles de distribution des espèces en tant que source d'information possible pour les différents outils de conservation (par exemple, listes rouges, réseaux écologiques, évaluation des risques de propagation d'espèces envahissantes, évaluation de la vulnérabilité des espèces dans le contexte de changement climatique). Bien que ces questions de conservation ne soient pas directement testées dans cette thèse, l'importance des améliorations proposées pour la modélisation de la distribution des espèces est discutée à la fin de ce travail dans le contexte de la sélection de réseaux de réserves.

THE USE OF SIMULATIONS IN EVOLUTIONARY POPULATION GENETICS: APPLICATIONS ON HUMANS, OWLS AND VIRTUAL ORGANISMS

Summary (in English) Computer simulations provide a practical way to address scientific questions that would be otherwise intractable. In evolutionary biology, and in population genetics in particular, the investigation of evolutionary processes frequently involves the implementation of complex models, making simulations a particularly valuable tool in the area. In this thesis work, I explored three questions involving the geographical range expansion of populations, taking advantage of spatially explicit simulations coupled with approximate Bayesian computation. First, the neutral evolutionary history of the human spread around the world was investigated, leading to a surprisingly simple model: A straightforward diffusion process of migrations from east Africa throughout a world map with homogeneous landmasses replicated to very large extent the complex patterns observed in real human populations, suggesting a more continuous (as opposed to structured) view of the distribution of modern human genetic diversity, which may play a better role as a base model for further studies. Second, the postglacial evolution of the European barn owl, with the formation of a remarkable coat-color cline, was inspected with two rounds of simulations: (i) determine the demographic background history and (ii) test the probability of a phenotypic cline, like the one observed in the natural populations, to appear without natural selection. We verified that the modern barn owl population originated from a single Iberian refugium and that they formed their color cline, not due to neutral evolution, but with the necessary participation of selection. The third and last part of this thesis refers to a simulation-only study inspired by the barn owl case above. In this chapter, we showed that selection is, indeed, effective during range expansions and that it leaves a distinguished signature, which can then be used to detect and measure natural selection in range-expanding populations. Résumé (en français) Les simulations fournissent un moyen pratique pour répondre à des questions scientifiques qui seraient inabordable autrement. En génétique des populations, l'étude des processus évolutifs implique souvent la mise en oeuvre de modèles complexes, et les simulations sont un outil particulièrement précieux dans ce domaine. Dans cette thèse, j'ai exploré trois questions en utilisant des simulations spatialement explicites dans un cadre de calculs Bayésiens approximés (approximate Bayesian computation : ABC). Tout d'abord, l'histoire de la colonisation humaine mondiale et de l'évolution de parties neutres du génome a été étudiée grâce à un modèle étonnement simple. Un processus de diffusion des migrants de l'Afrique orientale à travers un monde avec des masses terrestres homogènes a reproduit, dans une très large mesure, les signatures génétiques complexes observées dans les populations humaines réelles. Un tel modèle continu (opposé à un modèle structuré en populations) pourrait être très utile comme modèle de base dans l'étude de génétique humaine à l'avenir. Deuxièmement, l'évolution postglaciaire d'un gradient de couleur chez l'Effraie des clocher (Tyto alba) Européenne, a été examiné avec deux séries de simulations pour : (i) déterminer l'histoire démographique de base et (ii) tester la probabilité qu'un gradient phénotypique, tel qu'observé dans les populations naturelles puisse apparaître sans sélection naturelle. Nous avons montré que la population actuelle des chouettes est sortie d'un unique refuge ibérique et que le gradient de couleur ne peux pas s'être formé de manière neutre (sans l'action de la sélection naturelle). La troisième partie de cette thèse se réfère à une étude par simulations inspirée par l'étude de l'Effraie. Dans ce dernier chapitre, nous avons montré que la sélection est, en effet, aussi efficace dans les cas d'expansion d'aire de distribution et qu'elle laisse une signature unique, qui peut être utilisée pour la détecter et estimer sa force.

Conservation of a threatened European tree frog (Hyla arborea) metapopulation

Summary: Amphibians are among the most vulnerable animals of the world. One third of all species are currently threatened with extinction. Habitat loss is the major menace to pond- and stream-breeding species in the old world. In highly urbanized landscape like the Swiss Plateau, most species suffer from habitat reduction and fragmentation. Among all indigenous species, the European tree frog (Hyla arborea L., 1758) is one of the most endangered. It experienced an alarming decline during the last century and its regional long-term persistence is not guaranteed. We developed a monitoring framework based on calling male counts which included multiple visits to each wetland during the reproduction period in order to precisely determine its distribution on the Lemanic coast. Our results indicate that visiting populations 3 limes under suitable climatic conditions (temperature >20°C) provides reliable presence/absence data. Based on our monitoring data, we analyzed the species requirements regarding its breeding habitat. It appeared that anthropogenic activities had paradoxical effects on the species. On one hand, urbanization, traffic and intensive agriculture had a strong detrimental effect on tree frog distribution. On the other hand, large tree frog populations were frequently associated with gravel pits and military training grounds. Our results allowed us to create a habitat suitability map taking into account detrimental landscape elements around ponds (>1100m away from urban areas and >500m away from first class roads). In parallel, we developed a metapopulation model of the European tree frog in order to identify the critical threats to the long term persistence of the species. Our results indicated that suitable pond density is at the low end of the species requirements. Pond creation must therefore be considered an essential complementary approach to pond conservation and restoration. Our model also provided a mapping solution permitting the location of the must suitable area for pond creation from a metapopulation perspective. As many other amphibians, the European tree frog is not only exposed to an aquatic habitat (breeding and larval period), but also to a terrestrial stage (summer and overwintering habitats). Unfortunately, animals in their terrestrial phase are less conspicuous and, as a consequence, their terrestrial needs are relatively unknown. Using a recent tracking method (the Harmonic Direction Finder), we followed post-breeding frogs and identified favored terrestrial habitats, thus providing another practical conservation tool. We conclude that only the combination of multiple spatially explicit approaches (landscape-scale habitat suitability, metapopulation dynamics and terrestrial needs) is likely to provide wildlife managers with effective tools for the conservation of highly endangered amphibians. Résumé: Les amphibiens font partie des animaux les plus vulnérables du monde. Un tiers des espèces est actuellement menacé d'extinction. Dans l'ancien monde, la disparition des habitats constitue la principale menace pour les grenouilles, crapauds, tritons et salamandres. Dans les paysages fortement urbanisés comme le Plateau Suisse, la plupart des espèces souffrent d'une réduction et d'une fragmentation de leurs habitats. Parmi toutes les espèces indigènes, la rainette verte (Hyla arborea L., 1758) est l'une des plus menacée. Sa distribution a régressé de manière alarmante durant le siècle passé et sa survie régionale à long terme n'est pas assurée. Nous avons développé une méthode de suivi des populations se basant sur le comptage des mâles chanteurs durant la période de reproduction. Cette méthode requiert plusieurs visites à chaque plan d'eau de manière à déterminer précisément la distribution de l'espèce. Nos résultats démontrent que 3 visites par population dans des conditions climatiques favorable (température >20°C) permettent d'obtenir des données de présence/ absence valables. Sur la base de nos comptages sur la Côte lémanique, nous avons analysé les exigences de l'espèce concernant ses sites de reproduction. Il est apparu que les activités humaines avaient un effet paradoxal sur l'espèce. D'une part, l'urbanisation, le trafic routier et l'intensification de l'agriculture ont un effet fortement préjudiciable, tandis que d'autre part les plus grandes populations sont souvent associées à des gravières et autres places d'armes. Nos résultats ont permis de créer une carte de qualité d'habitat prenant en compte les éléments paysagers préjudiciables à la rainette (situé à plus de 1100m de zones urbaines et à plus de 500m de routes de première classe). En parallèle, nous avons développé un modèle métapopulationnel (incluant l'ensemble des populations) de manière à identifier les menaces prépondérantes sur la survie à long terme de l'espèce. Nos résultats ont permis de déterminer que la densité actuelle de plans d'eau adéquats est à la limite inférieure des exigences de l'espèce. La création d'étangs doit donc être considérée comme une approche indispensable et complémentaire à la protection et à la restauration des sites existants. Notre modèle a également fourni des résultats cartographiables permettant l'identification des sites les plus appropriés dans une perspective métapopulationnelle. Comme de nombreux autres amphibiens, la rainette verte est exposée à un habitat aquatique (reproduction et développement larvaire) ainsi qu'à un habitat terrestre (été et hiver). Les animaux étant particulièrement cryptiques dans cette seconde phase, leurs besoins terrestres sont relativement mal connus. Nous avons donc développé une nouvelle méthode de télémétrie basée sur le goniomètre harmonique. Cette méthode nous a permis de suivre des rainettes dans leurs migrations jusqu'à leurs habitats d'été et d'établir ainsi des recommandations pratiques pour la conservation de la rainette. Nous concluons que la combinaison de multiples approches spatialement explicites (qualité d'habitat, dynamique de métapopulation et habitats terrestres) est seule à même de produire des outils efficaces pour la conservation des espèces menacées d'amphibiens.

A stratified approach for modeling the distribution of a threatened ant species in the Swiss National Park

We present models predicting the potential distribution of a threatened ant species, Formica exsecta Nyl., in the Swiss National Park ( SNP). Data to fit the models have been collected according to a random-stratified design with an equal number of replicates per stratum. The basic aim of such a sampling strategy is to allow the formal testing of biological hypotheses about those factors most likely to account for the distribution of the modeled species. The stratifying factors used in this study were: vegetation, slope angle and slope aspect, the latter two being used as surrogates of solar radiation, considered one of the basic requirements of F. exsecta. Results show that, although the basic stratifying predictors account for more than 50% of the deviance, the incorporation of additional non-spatially explicit predictors into the model, as measured in the field, allows for an increased model performance (up to nearly 75%). However, this was not corroborated by permutation tests. Implementation on a national scale was made for one model only, due to the difficulty of obtaining similar predictors on this scale. The resulting map on the national scale suggests that the species might once have had a broader distribution in Switzerland. Reasons for its particular abundance within the SNP might possibly be related to habitat fragmentation and vegetation transformation outside the SNP boundaries.

Developing methodologies to allow the robust prediction dynamic context dominated by perturbations

El principal objectiu del projecte era desenvolupar millores conceptuals i metodològiques que permetessin una millor predicció dels canvis en la distribució de les espècies (a una escala de paisatge) derivats de canvis ambientals en un context dominat per pertorbacions. En un primer estudi, vàrem comparar l'eficàcia de diferents models dinàmics per a predir la distribució de l'hortolà (Emberiza hortulana). Els nostres resultats indiquen que un model híbrid que combini canvis en la qualitat de l'hàbitat, derivats de canvis en el paisatge, amb un model poblacional espacialment explícit és una aproximació adequada per abordar canvis en la distribució d'espècies en contextos de dinàmica ambiental elevada i una capacitat de dispersió limitada de l'espècie objectiu. En un segon estudi abordarem la calibració mitjançant dades de seguiment de models de distribució dinàmics per a 12 espècies amb preferència per hàbitats oberts. Entre les conclusions extretes destaquem: (1) la necessitat de que les dades de seguiment abarquin aquelles àrees on es produeixen els canvis de qualitat; (2) el biaix que es produeix en la estimació dels paràmetres del model d'ocupació quan la hipòtesi de canvi de paisatge o el model de qualitat d'hàbitat són incorrectes. En el darrer treball estudiarem el possible impacte en 67 espècies d’ocells de diferents règims d’incendis, definits a partir de combinacions de nivells de canvi climàtic (portant a un augment esperat de la mida i freqüència d’incendis forestals), i eficiència d’extinció per part dels bombers. Segons els resultats dels nostres models, la combinació de factors antropogènics del regim d’incendis, tals com l’abandonament rural i l’extinció, poden ser més determinants per als canvis de distribució que els efectes derivats del canvi climàtic. Els productes generats inclouen tres publicacions científiques, una pàgina web amb resultats del projecte i una llibreria per a l'entorn estadístic R.

Influence of learning on range expansion and adaptation to novel habitats.

Learning has been postulated to 'drive' evolution, but its influence on adaptive evolution in heterogeneous environments has not been formally examined. We used a spatially explicit individual-based model to study the effect of learning on the expansion and adaptation of a species to a novel habitat. Fitness was mediated by a behavioural trait (resource preference), which in turn was determined by both the genotype and learning. Our findings indicate that learning substantially increases the range of parameters under which the species expands and adapts to the novel habitat, particularly if the two habitats are separated by a sharp ecotone (rather than a gradient). However, for a broad range of parameters, learning reduces the degree of genetically-based local adaptation following the expansion and facilitates maintenance of genetic variation within local populations. Thus, in heterogeneous environments learning may facilitate evolutionary range expansions and maintenance of the potential of local populations to respond to subsequent environmental changes.

Changing landscapes of Switzerland: assessing effects of historic and future land uses and land covers on the occurrence of selected butterfly species

Summary Landscapes are continuously changing. Natural forces of change such as heavy rainfall and fires can exert lasting influences on their physical form. However, changes related to human activities have often shaped landscapes more distinctly. In Western Europe, especially modern agricultural practices and the expanse of overbuilt land have left their marks in the landscapes since the middle of the 20th century. In the recent years men realised that mare and more changes that were formerly attributed to natural forces might indirectly be the result of their own action. Perhaps the most striking landscape change indirectly driven by human activity we can witness in these days is the large withdrawal of Alpine glaciers. Together with the landscapes also habitats of animal and plant species have undergone vast and sometimes rapid changes that have been hold responsible for the ongoing loss of biodiversity. Thereby, still little knowledge is available about probable effects of the rate of landscape change on species persistence and disappearance. Therefore, the development and speed of land use/land cover in the Swiss communes between the 1950s and 1990s were reconstructed using 10 parameters from agriculture and housing censuses, and were further correlated with changes in butterfly species occurrences. Cluster analyses were used to detect spatial patterns of change on broad spatial scales. Thereby, clusters of communes showing similar changes or transformation rates were identified for single decades and put into a temporally dynamic sequence. The obtained picture on the changes showed a prevalent replacement of non-intensive agriculture by intensive practices, a strong spreading of urban communes around city centres, and transitions towards larger farm sizes in the mountainous areas. Increasing transformation rates toward more intensive agricultural managements were especially found until the 1970s, whereas afterwards the trends were commonly negative. However, transformation rates representing the development of residential buildings showed positive courses at any time. The analyses concerning the butterfly species showed that grassland species reacted sensitively to the density of livestock in the communes. This might indicate the augmented use of dry grasslands as cattle pastures that show altered plant species compositions. Furthermore, these species also decreased in communes where farms with an agricultural area >5ha have disappeared. The species of the wetland habitats were favoured in communes with smaller fractions of agricultural areas and lower densities of large farms (>10ha) but did not show any correlation to transformation rates. It was concluded from these analyses that transformation rates might influence species disappearance to a certain extent but that states of the environmental predictors might generally outweigh the importance of the corresponding rates. Information on the current distribution of species is evident for nature conservation. Planning authorities that define priority areas for species protection or examine and authorise construction projects need to know about the spatial distribution of species. Hence, models that simulate the potential spatial distribution of species have become important decision tools. The underlying statistical analyses such as the widely used generalised linear models (GLM) often rely on binary species presence-absence data. However, often only species presence data have been colleted, especially for vagrant, rare or cryptic species such as butterflies or reptiles. Modellers have thus introduced randomly selected absence data to design distribution models. Yet, selecting false absence data might bias the model results. Therefore, we investigated several strategies to select more reliable absence data to model the distribution of butterfly species based on historical distribution data. The results showed that better models were obtained when historical data from longer time periods were considered. Furthermore, model performance was additionally increased when long-term data of species that show similar habitat requirements as the modelled species were used. This successful methodological approach was further applied to assess consequences of future landscape changes on the occurrence of butterfly species inhabiting dry grasslands or wetlands. These habitat types have been subjected to strong deterioration in the recent decades, what makes their protection a future mission. Four spatially explicit scenarios that described (i) ongoing land use changes as observed between 1985 and 1997, (ii) liberalised agricultural markets, and (iii) slightly and (iv) strongly lowered agricultural production provided probable directions of landscape change. Current species-environment relationships were derived from a statistical model and used to predict future occurrence probabilities in six major biogeographical regions in Switzerland, comprising the Jura Mountains, the Plateau, the Northern and Southern Alps, as well as the Western and Eastern Central Alps. The main results were that dry grasslands species profited from lowered agricultural production, whereas overgrowth of open areas in the liberalisation scenario might impair species occurrence. The wetland species mostly responded with decreases in their occurrence probabilities in the scenarios, due to a loss of their preferred habitat. Further analyses about factors currently influencing species occurrences confirmed anthropogenic causes such as urbanisation, abandonment of open land, and agricultural intensification. Hence, landscape planning should pay more attention to these forces in areas currently inhabited by these butterfly species to enable sustainable species persistence. In this thesis historical data were intensively used to reconstruct past developments and to make them useful for current investigations. Yet, the availability of historical data and the analyses on broader spatial scales has often limited the explanatory power of the conducted analyses. Meaningful descriptors of former habitat characteristics and abundant species distribution data are generally sparse, especially for fine scale analyses. However, this situation can be ameliorated by broadening the extent of the study site and the used grain size, as was done in this thesis by considering the whole of Switzerland with its communes. Nevertheless, current monitoring projects and data recording techniques are promising data sources that might allow more detailed analyses about effects of long-term species reactions on landscape changes in the near future. This work, however, also showed the value of historical species distribution data as for example their potential to locate still unknown species occurrences. The results might therefore contribute to further research activities that investigate current and future species distributions considering the immense richness of historical distribution data. Résumé Les paysages changent continuellement. Des farces naturelles comme des pluies violentes ou des feux peuvent avoir une influence durable sur la forme du paysage. Cependant, les changements attribués aux activités humaines ont souvent modelé les paysages plus profondément. Depuis les années 1950 surtout, les pratiques agricoles modernes ou l'expansion des surfaces d'habitat et d'infrastructure ont caractérisé le développement du paysage en Europe de l'Ouest. Ces dernières années, l'homme a commencé à réaliser que beaucoup de changements «naturels » pourraient indirectement résulter de ses propres activités. Le changement de paysage le plus apparent dont nous sommes témoins de nos jours est probablement l'immense retraite des glaciers alpins. Avec les paysages, les habitats des animaux et des plantes ont aussi été exposés à des changements vastes et quelquefois rapides, tenus pour coresponsable de la continuelle diminution de la biodiversité. Cependant, nous savons peu des effets probables de la rapidité des changements du paysage sur la persistance et la disparition des espèces. Le développement et la rapidité du changement de l'utilisation et de la couverture du sol dans les communes suisses entre les années 50 et 90 ont donc été reconstruits au moyen de 10 variables issues des recensements agricoles et résidentiels et ont été corrélés avec des changements de présence des papillons diurnes. Des analyses de groupes (Cluster analyses) ont été utilisées pour détecter des arrangements spatiaux de changements à l'échelle de la Suisse. Des communes avec des changements ou rapidités comparables ont été délimitées pour des décennies séparées et ont été placées en séquence temporelle, en rendrent une certaine dynamique du changement. Les résultats ont montré un remplacement répandu d'une agriculture extensive des pratiques intensives, une forte expansion des faubourgs urbains autour des grandes cités et des transitions vers de plus grandes surfaces d'exploitation dans les Alpes. Dans le cas des exploitations agricoles, des taux de changement croissants ont été observés jusqu'aux années 70, alors que la tendance a généralement été inversée dans les années suivantes. Par contre, la vitesse de construction des nouvelles maisons a montré des courbes positives pendant les 50 années. Les analyses sur la réaction des papillons diurnes ont montré que les espèces des prairies sèches supportaient une grande densité de bétail. Il est possible que dans ces communes beaucoup des prairies sèches aient été fertilisées et utilisées comme pâturages, qui ont une autre composition floristique. De plus, les espèces ont diminué dans les communes caractérisées par une rapide perte des fermes avec une surface cultivable supérieure à 5 ha. Les espèces des marais ont été favorisées dans des communes avec peu de surface cultivable et peu de grandes fermes, mais n'ont pas réagi aux taux de changement. Il en a donc été conclu que la rapidité des changements pourrait expliquer les disparitions d'espèces dans certains cas, mais que les variables prédictives qui expriment des états pourraient être des descripteurs plus importants. Des informations sur la distribution récente des espèces sont importantes par rapport aux mesures pour la conservation de la nature. Pour des autorités occupées à définir des zones de protection prioritaires ou à autoriser des projets de construction, ces informations sont indispensables. Les modèles de distribution spatiale d'espèces sont donc devenus des moyens de décision importants. Les méthodes statistiques courantes comme les modèles linéaires généralisés (GLM) demandent des données de présence et d'absence des espèces. Cependant, souvent seules les données de présence sont disponibles, surtout pour les animaux migrants, rares ou cryptiques comme des papillons ou des reptiles. C'est pourquoi certains modélisateurs ont choisi des absences au hasard, avec le risque d'influencer le résultat en choisissant des fausses absences. Nous avons établi plusieurs stratégies, basées sur des données de distribution historique des papillons diurnes, pour sélectionner des absences plus fiables. Les résultats ont démontré que de meilleurs modèles pouvaient être obtenus lorsque les données proviennent des périodes de temps plus longues. En plus, la performance des modèles a pu être augmentée en considérant des données de distribution à long terme d'espèces qui occupent des habitats similaires à ceux de l'espèce cible. Vu le succès de cette stratégie, elle a été utilisée pour évaluer les effets potentiels des changements de paysage futurs sur la distribution des papillons des prairies sèches et marais, deux habitats qui ont souffert de graves détériorations. Quatre scénarios spatialement explicites, décrivant (i) l'extrapolation des changements de l'utilisation de sol tels qu'observés entre 1985 et 1997, (ii) la libéralisation des marchés agricoles, et une production agricole (iii) légèrement amoindrie et (iv) fortement diminuée, ont été utilisés pour générer des directions de changement probables. Les relations actuelles entre la distribution des espèces et l'environnement ont été déterminées par le biais des modèles statistiques et ont été utilisées pour calculer des probabilités de présence selon les scénarios dans six régions biogéographiques majeures de la Suisse, comportant le Jura, le Plateau, les Alpes du Nord, du Sud, centrales orientales et centrales occidentales. Les résultats principaux ont montré que les espèces des prairies sèches pourraient profiter d'une diminution de la production agricole, mais qu'elles pourraient aussi disparaître à cause de l'embroussaillement des terres ouvertes dû à la libéralisation des marchés agricoles. La probabilité de présence des espèces de marais a décrû à cause d'une perte générale des habitats favorables. De plus, les analyses ont confirmé que des causes humaines comme l'urbanisation, l'abandon des terres ouvertes et l'intensification de l'agriculture affectent actuellement ces espèces. Ainsi ces forces devraient être mieux prises en compte lors de planifications paysagères, pour que ces papillons diurnes puissent survivre dans leurs habitats actuels. Dans ce travail de thèse, des données historiques ont été intensivement utilisées pour reconstruire des développements anciens et pour les rendre utiles à des recherches contemporaines. Cependant, la disponibilité des données historiques et les analyses à grande échelle ont souvent limité le pouvoir explicatif des analyses. Des descripteurs pertinents pour caractériser les habitats anciens et des données suffisantes sur la distribution des espèces sont généralement rares, spécialement pour des analyses à des échelles fores. Cette situation peut être améliorée en augmentant l'étendue du site d'étude et la résolution, comme il a été fait dans cette thèse en considérant toute la Suisse avec ses communes. Cependant, les récents projets de surveillance et les techniques de collecte de données sont des sources prometteuses, qui pourraient permettre des analyses plus détaillés sur les réactions à long terme des espèces aux changements de paysage dans le futur. Ce travail a aussi montré la valeur des anciennes données de distribution, par exemple leur potentiel pour aider à localiser des' présences d'espèces encore inconnues. Les résultats peuvent contribuer à des activités de recherche à venir, qui étudieraient les distributions récentes ou futures d'espèces en considérant l'immense richesse des données de distribution historiques.

Coexistence of specialist and generalist species is shaped by dispersal and environmental factors.

Disentangling the mechanisms mediating the coexistence of habitat specialists and generalists has been a long-standing subject of investigation. However, the roles of species traits and environmental and spatial factors have not been assessed in a unifying theoretical framework. Theory suggests that specialist species are more competitive in natural communities. However, empirical work has shown that specialist species are declining worldwide due to habitat loss and fragmentation. We addressed the question of the coexistence of specialist and generalist species with a spatially explicit metacommunity model in continuous and heterogeneous environments. We characterized how species' dispersal abilities, the number of interacting species, environmental spatial autocorrelation, and disturbance impact community composition. Our results demonstrated that species' dispersal ability and the number of interacting species had a drastic influence on the composition of metacommunities. More specialized species coexisted when species had large dispersal abilities and when the number of interacting species was high. Disturbance selected against highly specialized species, whereas environmental spatial autocorrelation had a marginal impact. Interestingly, species richness and niche breadth were mainly positively correlated at the community scale but were negatively correlated at the metacommunity scale. Numerous diversely specialized species can thus coexist, but both species' intrinsic traits and environmental factors interact to shape the specialization signatures of communities at both the local and global scales.

The influence of environmental spatial structure on the life history traits and diversity of species in a metacommunity

Several models have been proposed to understand how so many species can coexist in ecosystems. Despite evidence showing that natural habitats are often patchy and fragmented, these models rarely take into account environmental spatial structure. In this study we investigated the influence of spatial structure in habitat and disturbance regime upon species' traits and species' coexistence in a metacommunity. We used a population-based model to simulate competing species in spatially explicit landscapes. The species traits we focused on were dispersal ability, competitiveness, reproductive investment and survival rate. Communities were characterized by their species richness and by the four life-history traits averaged over all the surviving species. Our results show that spatial structure and disturbance have a strong influence on the equilibrium life-history traits within a metacommunity. In the absence of disturbance, spatially structured landscapes favour species investing more in reproduction, but less in dispersal and survival. However, this influence is strongly dependent on the disturbance rate, pointing to an important interaction between spatial structure and disturbance. This interaction also plays a role in species coexistence. While spatial structure tends to reduce diversity in the absence of disturbance, the tendency is reversed when disturbance occurs. In conclusion, the spatial structure of communities is an important determinant of their diversity and characteristic traits. These traits are likely to influence important ecological properties such as resistance to invasion or response to climate change, which in turn will determine the fate of ecosystems facing the current global ecological crisis.

Effects of cognitive abilities on metapopulation connectivity

Connectivity among demes in a metapopulation depends on both the landscape's and the focal organism's properties (including its mobility and cognitive abilities). Using individual-based simulations, we contrast the consequences of three different cognitive strategies on several measures of metapopulation connectivity. Model animals search suitable habitat patches while dispersing through a model landscape made of cells varying in size, shape, attractiveness and friction. In the blind strategy, the next cell is chosen randomly among the adjacent ones. In the near-sighted strategy, the choice depends on the relative attractiveness of these adjacent cells. In the far-sighted strategy, animals may additionally target suitable patches that appear within their perceptual range. Simulations show that the blind strategy provides the best overall connectivity, and results in balanced dispersal. The near-sighted strategy traps animals into corridors that reduce the number of potential targets, thereby fragmenting metapopulations in several local clusters of demes, and inducing sink-source dynamics. This sort of local trapping is somewhat prevented in the far-sighted strategy. The colonization success of strategies depends highly on initial energy reserves: blind does best when energy is high, near-sighted wins at intermediate levels, and far-sighted outcompetes its rivals at low energy reserves. We also expect strong effects in terms of metapopulation genetics: the blind strategy generates a migrant-pool mode of dispersal that should erase local structures. By contrast, near- and far-sighted strategies generate a propagule-pool mode of dispersal and source-sink behavior that should boost structures (high genetic variance among- and low variance within local clusters of demes), particularly if metapopulation dynamics is also affected by extinction-colonization processes. Our results thus point to important effects of the cognitive ability of dispersers on the connectivity, dynamics and genetics of metapopulations.

Are niche-based species distribution models transferable in space?

Aim To assess the geographical transferability of niche-based species distribution models fitted with two modelling techniques. Location Two distinct geographical study areas in Switzerland and Austria, in the subalpine and alpine belts. Methods Generalized linear and generalized additive models (GLM and GAM) with a binomial probability distribution and a logit link were fitted for 54 plant species, based on topoclimatic predictor variables. These models were then evaluated quantitatively and used for spatially explicit predictions within (internal evaluation and prediction) and between (external evaluation and prediction) the two regions. Comparisons of evaluations and spatial predictions between regions and models were conducted in order to test if species and methods meet the criteria of full transferability. By full transferability, we mean that: (1) the internal evaluation of models fitted in region A and B must be similar; (2) a model fitted in region A must at least retain a comparable external evaluation when projected into region B, and vice-versa; and (3) internal and external spatial predictions have to match within both regions. Results The measures of model fit are, on average, 24% higher for GAMs than for GLMs in both regions. However, the differences between internal and external evaluations (AUC coefficient) are also higher for GAMs than for GLMs (a difference of 30% for models fitted in Switzerland and 54% for models fitted in Austria). Transferability, as measured with the AUC evaluation, fails for 68% of the species in Switzerland and 55% in Austria for GLMs (respectively for 67% and 53% of the species for GAMs). For both GAMs and GLMs, the agreement between internal and external predictions is rather weak on average (Kulczynski's coefficient in the range 0.3-0.4), but varies widely among individual species. The dominant pattern is an asymmetrical transferability between the two study regions (a mean decrease of 20% for the AUC coefficient when the models are transferred from Switzerland and 13% when they are transferred from Austria). Main conclusions The large inter-specific variability observed among the 54 study species underlines the need to consider more than a few species to test properly the transferability of species distribution models. The pronounced asymmetry in transferability between the two study regions may be due to peculiarities of these regions, such as differences in the ranges of environmental predictors or the varied impact of land-use history, or to species-specific reasons like differential phenotypic plasticity, existence of ecotypes or varied dependence on biotic interactions that are not properly incorporated into niche-based models. The lower variation between internal and external evaluation of GLMs compared to GAMs further suggests that overfitting may reduce transferability. Overall, a limited geographical transferability calls for caution when projecting niche-based models for assessing the fate of species in future environments.

Interacting populations in heterogeneous environments

To optimally manage a metapopulation, managers and conservation biologists can favor a type of habitat spatial distribution (e.g. aggregated or random). However, the spatial distribution that provides the highest habitat occupancy remains ambiguous and numerous contradictory results exist. Habitat occupancy depends on the balance between local extinction and colonization. Thus, the issue becomes even more puzzling when various forms of relationships - positive or negative co-variation - between local extinction and colonization rate within habitat types exist. Using an analytical model we demonstrate first that the habitat occupancy of a metapopulation is significantly affected by the presence of habitat types that display different extinction-colonization dynamics, considering: (i) variation in extinction or colonization rate and (ii) positive and negative co-variation between the two processes within habitat types. We consequently examine, with a spatially explicit stochastic simulation model, how different degrees of habitat aggregation affect occupancy predictions under similar scenarios. An aggregated distribution of habitat types provides the highest habitat occupancy when local extinction risk is spatially heterogeneous and high in some places, while a random distribution of habitat provides the highest habitat occupancy when colonization rates are high. Because spatial variability in local extinction rates always favors aggregation of habitats, we only need to know about spatial variability in colonization rates to determine whether aggregating habitat types increases, or not, metapopulation occupancy. From a comparison of the results obtained with the analytical and with the spatial-explicit stochastic simulation model we determine the conditions under which a simple metapopulation model closely matches the results of a more complex spatial simulation model with explicit heterogeneity.

Fire management, climate change and their interacting effects on birds in complex Mediterranean landscapes: dynamic distribution modelling of an early-successional species - the near-threatened Dartford Warbler (Sylvia undata)

The current challenge in a context of major environmental changes is to anticipate the responses of species to future landscape and climate scenarios. In the Mediterranean basin, climate change is one the most powerful driving forces of fire dynamics, with fire frequency and impact having markedly increased in recent years. Species distribution modelling plays a fundamental role in this challenge, but better integration of available ecological knowledge is needed to adequately guide conservation efforts. Here, we quantified changes in habitat suitability of an early-succession bird in Catalonia, the Dartford Warbler (Sylvia undata) ― globally evaluated as Near Threatened in the IUCN Red List. We assessed potential changes in species distributions between 2000 and 2050 under different fire management and climate change scenarios and described landscape dynamics using a spatially-explicit fire-succession model that simulates fire impacts in the landscape and post-fire regeneration (MEDFIRE model). Dartford Warbler occurrence data were acquired at two different spatial scales from: 1) the Atlas of European Breeding Birds (EBCC) and 2) Catalan Breeding Bird Atlas (CBBA). Habitat suitability was modelled using five widely-used modelling techniques in an ensemble forecasting framework. Our results indicated considerable habitat suitability losses (ranging between 47% and 57% in baseline scenarios), which were modulated to a large extent by fire regime changes derived from fire management policies and climate changes. Such result highlighted the need for taking the spatial interaction between climate changes, fire-mediated landscape dynamics and fire management policies into account for coherently anticipating habitat suitability changes of early succession bird species. We conclude that fire management programs need to be integrated into conservation plans to effectively preserve sparsely forested and early succession habitats and their associated species in the face of global environmental change.

A spatial modelling framework for assessing climate change impacts on freshwater ecosystems: Response of brown trout (Salmo trutta L.) biomass to warming water temperature

Mountain regions worldwide are particularly sensitive to on-going climate change. Specifically in the Alps in Switzerland, the temperature has increased twice as fast than in the rest of the Northern hemisphere. Water temperature closely follows the annual air temperature cycle, severely impacting streams and freshwater ecosystems. In the last 20 years, brown trout (Salmo trutta L) catch has declined by approximately 40-50% in many rivers in Switzerland. Increasing water temperature has been suggested as one of the most likely cause of this decline. Temperature has a direct effect on trout population dynamics through developmental and disease control but can also indirectly impact dynamics via food-web interactions such as resource availability. We developed a spatially explicit modelling framework that allows spatial and temporal projections of trout biomass using the Aare river catchment as a model system, in order to assess the spatial and seasonal patterns of trout biomass variation. Given that biomass has a seasonal variation depending on trout life history stage, we developed seasonal biomass variation models for three periods of the year (Autumn-Winter, Spring and Summer). Because stream water temperature is a critical parameter for brown trout development, we first calibrated a model to predict water temperature as a function of air temperature to be able to further apply climate change scenarios. We then built a model of trout biomass variation by linking water temperature to trout biomass measurements collected by electro-fishing in 21 stations from 2009 to 2011. The different modelling components of our framework had overall a good predictive ability and we could show a seasonal effect of water temperature affecting trout biomass variation. Our statistical framework uses a minimum set of input variables that make it easily transferable to other study areas or fish species but could be improved by including effects of the biotic environment and the evolution of demographical parameters over time. However, our framework still remains informative to spatially highlight where potential changes of water temperature could affect trout biomass. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.-

Beyond contact-based transmission networks: the role of spatial coincidence.

Animal societies rely on interactions between group members to effectively communicate and coordinate their actions. To date, the transmission properties of interaction networks formed by direct physical contacts have been extensively studied for many animal societies and in all cases found to inhibit spreading. Such direct interactions do not, however, represent the only viable pathways. When spreading agents can persist in the environment, indirect transmission via 'same-place, different-time' spatial coincidences becomes possible. Previous studies have neglected these indirect pathways and their role in transmission. Here, we use rock ant colonies, a model social species whose flat nest geometry, coupled with individually tagged workers, allowed us to build temporally and spatially explicit interaction networks in which edges represent either direct physical contacts or indirect spatial coincidences. We show how the addition of indirect pathways allows the network to enhance or inhibit the spreading of different types of agent. This dual-functionality arises from an interplay between the interaction-strength distribution generated by the ants' movement and environmental decay characteristics of the spreading agent. These findings offer a general mechanism for understanding how interaction patterns might be tuned in animal societies to control the simultaneous transmission of harmful and beneficial agents.