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

Abstract

The effects of climate and landscape change on biodiversity have been widely acknowledged. However, there is still limited understanding on how the interaction among these processes affects species persistence over large spatial scales. This thesis aims to study the synergistic effects of climate and landscape change on species persistence and range shift dynamics. Using the Cabrera vole as model species, and combining ecological niche modeling (ENM), non-invasive genetic analysis and field sampling at predicted range margins, it is shown that forecasting range shifts of metapopulations under climate change, should require detailed sampling at the extremes of the ecological niche and that combining these three techniques allows an effective assessment of the niche. Analysis of metapopulation persistence and range expansion under landscape and climate change involved the development of an R package, ‘MetaLandSim’. This package offers a set of simulation tools integrating concepts from metapopulation and graph theories, providing an opportunity for testing ecological theories and evaluating species responses to environmental change. A first example of the package use is demonstrated by combining ENM projections with dispersal models (DM) considering three different connectivity scenarios. It is clearly demonstrated that combining range shift with lower connectivity will result in narrower range sizes for the Cabrera vole, highlighting the relevance of both, climate change and landscape connectivity in range dynamics evaluation. Finally, ‘MetaLandSim’ was used to test the hypothesis that intermediate levels of landscape disturbance may increase species persistence under certain species and landscape traits. Using a set of 54 virtual species differing in their ecological traits, it is shown that species with mid to higher dispersal and early successional preferences were more likely to benefit from intermediate disturbance. Overall, this study provides important insights for improving predictions on metapopulation persistence and range dynamics under various scenarios of landscape and climate change; Efeitos sinergéticos das alterações climáticas e fragmentação de habitat na distribuição das espécies e persistência metapopulacional Resumo: Os efeitos das alterações de paisagem e climáticas são reconhecidos na literatura científica. Esta tese tem por objetivo contribuir para a clarificação e compreensão dos efeitos sinergéticos das alterações climáticas e de paisagem na persistência das metapopulações e na alteração das áreas de distribuição das espécies. Usando o ratode- Cabrera como modelo, e combinando a modelação de nicho ecológico (ENM) com técnicas de genética não-invasiva e amostragens de campo nas margens da área de distribuição, demonstra-se a combinação das três técnicas e a inclusão de amostras nos extremos do nicho ecológico tornam mais eficaz que a previsão das novas áreas de distribuição num contexto de alterações climáticas. A análise da persistência metapopulacional e da expansão da área de distribuição em condições de alterações ambientais envolveu o desenvolvimento do package de R ‘MetaLandSim’. Este oferece um conjunto de ferramentas de simulação combinando as teorias dos grafos e metapopulações, o que permite testar teorias ecológicas e avaliar respostas das espécies às alterações ambientais. Usa-se este package para gerar modelos de dispersão (DM) que consideram simultaneamente a conectividade da paisagem e capacidade de dispersão. Estes DM, com três cenários de conectividade, foram projetados para o futuro e combinados com as projeções dos ENM. Demonstra-se que a perda de conectividade, associada à movimentação da janela climática, terá reduzirá a área de distribuição do rato-de-Cabrera. Finalmente, o ‘MetaLandSim’ é usado para testar a hipótese de que níveis intermédios de perturbação da paisagem podem beneficiar algumas espécies. Foram usadas 54 espécies virtuais com diferentes características ecológicas demonstrando que espécies com dispersões médias a elevadas e preferência por manchas nos primeiros estados da sucessão beneficiam de níveis intermédios de dinamismo. Este estudo fornece informação relevante para melhorar previsões da persistência das metapopulações e das dinâmicas das áreas de distribuição sob diversos cenários de alterações ambientais.