Synergistic effects of climate change and habitat fragmentation on species range shifts and metapopulation persistence

摘要

The effects of climate and landscape change on biodiversity have been widelyacknowledged. However, there is still limited understanding on how the interactionamong these processes affects species persistence over large spatial scales. This thesisaims to study the synergistic effects of climate and landscape change on speciespersistence and range shift dynamics. Using the Cabrera vole as model species, andcombining ecological niche modeling (ENM), non-invasive genetic analysis and fieldsampling at predicted range margins, it is shown that forecasting range shifts ofmetapopulations under climate change, should require detailed sampling at theextremes of the ecological niche and that combining these three techniques allows aneffective assessment of the niche. Analysis of metapopulation persistence and rangeexpansion under landscape and climate change involved the development of an Rpackage, ‘MetaLandSim’. This package offers a set of simulation tools integratingconcepts from metapopulation and graph theories, providing an opportunity fortesting ecological theories and evaluating species responses to environmental change.A first example of the package use is demonstrated by combining ENM projectionswith dispersal models (DM) considering three different connectivity scenarios. It isclearly demonstrated that combining range shift with lower connectivity will result innarrower range sizes for the Cabrera vole, highlighting the relevance of both, climatechange and landscape connectivity in range dynamics evaluation. Finally,‘MetaLandSim’ was used to test the hypothesis that intermediate levels of landscapedisturbance may increase species persistence under certain species and landscapetraits. Using a set of 54 virtual species differing in their ecological traits, it is shown thatspecies with mid to higher dispersal and early successional preferences were morelikely to benefit from intermediate disturbance. Overall, this study provides importantinsights for improving predictions on metapopulation persistence and range dynamicsunder various scenarios of landscape and climate change; Efeitos sinergéticos das alterações climáticas e fragmentação de habitatna distribuição das espécies e persistência metapopulacionalResumo:Os efeitos das alterações de paisagem e climáticas são reconhecidos na literaturacientífica. Esta tese tem por objetivo contribuir para a clarificação e compreensão dosefeitos sinergéticos das alterações climáticas e de paisagem na persistência dasmetapopulações e na alteração das áreas de distribuição das espécies. Usando o ratode-Cabrera como modelo, e combinando a modelação de nicho ecológico (ENM) comtécnicas de genética não-invasiva e amostragens de campo nas margens da área dedistribuição, demonstra-se a combinação das três técnicas e a inclusão de amostrasnos extremos do nicho ecológico tornam mais eficaz que a previsão das novas áreas dedistribuição num contexto de alterações climáticas. A análise da persistênciametapopulacional e da expansão da área de distribuição em condições de alteraçõesambientais envolveu o desenvolvimento do package de R ‘MetaLandSim’. Este ofereceum conjunto de ferramentas de simulação combinando as teorias dos grafos emetapopulações, o que permite testar teorias ecológicas e avaliar respostas dasespécies às alterações ambientais. Usa-se este package para gerar modelos dedispersão (DM) que consideram simultaneamente a conectividade da paisagem ecapacidade de dispersão. Estes DM, com três cenários de conectividade, foramprojetados para o futuro e combinados com as projeções dos ENM. Demonstra-se quea perda de conectividade, associada à movimentação da janela climática, terá reduziráa área de distribuição do rato-de-Cabrera. Finalmente, o ‘MetaLandSim’ é usado paratestar a hipótese de que níveis intermédios de perturbação da paisagem podembeneficiar algumas espécies. Foram usadas 54 espécies virtuais com diferentescaracterísticas ecológicas demonstrando que espécies com dispersões médias a elevadas e preferência por manchas nos primeiros estados da sucessão beneficiam deníveis intermédios de dinamismo. Este estudo fornece informação relevante paramelhorar previsões da persistência das metapopulações e das dinâmicas das áreas dedistribuição sob diversos cenários de alterações ambientais.