Unravelling the complexity of plant community responses to climate change

Abstract

Global oppvarming fører til at arter beveger seg høyere opp i fjellet og resulterer i en omfordeling av artene og en termofilisering av artssamfunn, det vil si atantall termofile arter øker mens antall kulde-tilpassede arter reduseres. Nye studier tyder på at termofiliseringen av de økologiske samfunnene ikke holder tritt med temperaturendringene som har funnet sted de siste tiårene, noe som skaper såkalte «temperaturlagger». De fleste studier som har undersøkt termofiliseringen i artssamfunn kommer hovedsakelig fra tempererte områder, mens påvirkningen av klimaendringene i tropiske områder har blitt undersøkt i mindre grad og er dårligere forstått. I denne avhandlingen undersøkte jeg hvordan plantesamfunn har respondert på klimaendringer over det siste århundret og hvordan disse responsene kan interagere med forskjellige klimavariabler og topografi. Dette ble gjort ved å måle termofilisering av plantesamfunn i Norge og i den nordlige delen av Andes-fjellene. I tillegg vurderte jeg påliteligheten av datapunkter som er basert på tilstedeværelse av arter alene (i motsetning til plotdata, som også har informasjon om hvilke arter som ikke er tilstede) for å studere responser til økologiske samfunn ved å sammenligne termofiliseringen estimert fra de to typene datasett uavhengig av hverandre. Mine funn viser at plantesamfunnene både i Norge og i tropiske områder responderer på klimaendringer. Plantesamfunn her i nord er ikke i stand til å holde tritt med økningen i temperatur, noe som har ført til økende temperaturlagger i løpet av de siste tiårene. Variabler relatert til hastigheten på temperaturendringene og hvor fort artene må respondere for å holde tritt med klimaendringene (som samlet utgjør det som kalles klimavelositeten) viste seg å være mest effektive når det gjaldt å forklare temperaturlaggene. Plantene fra Andes-fjellene viste derimot veldig variable responser på klimaendringene, og jeg fant at kombinasjonen av temperatur og temperaturendringer, nedbørmengde, sesongmessige variasjoner i nedbør, samt en indeks på tørke kan forklare mye av variasjonen i hvordan artene har beveget seg oppover i fjellet over de siste tiårene. Jeg viser også at man kan bruke data som kun inneholder informasjon om tilstedeværelse for å studere endringer i vegetasjonen og at man ser de samme trender for termofiliseringen når man analyserer denne trenden basert på datapunkter med bare tisltedeværelse som de trendene vi så når man brukte plottbaserte datasett (samforekomstplott). Oppsummert så viser jeg i denne avhandlingen at plantesamfunn reagerer på global oppvarming på komplekse måter. Jeg demonstrerer at etterslep i den økologiske responsen (temperaturlaggen) øker på grunn av forskjellige aspekter av temperaturendringer på landskapsskala og at det er en nær sammenheng mellom plantesamfunns høydeforskyvninger og samspillet mellom klima og klimaendringer i neotropene. Mine resultater åpner også opp for at man kan benytte seg av den store mengden tilstedeværelsesdata som har blitt samlet inn i løpet av de siste hundre årene for å studere den økologiske responsen til klimaendringer. Til slutt kan funnene i denne oppgaven brukes til å skape bedre risikovurderinger med tanke på konsekvensene av global oppvarming for biodiversitet.

Global warming causes species to move to higher elevations, leading to a reshuffling and thermophilization of species communities with an increase in thermophilic species and a decrease of cold-adapted species. Recent evidence suggests that thermophilization may not keep up with global warming, resulting in thermal lags. While most data on the causes of thermophilization come from temperate regions, the influence of different climatic aspects on tropical species' response to changing climates remains under-investigated and poorly understood. In this thesis, I investigated how plant communities have responded to climate warming over the past century and how these responses may interact with climate and topography. Thermophilization was measured along climatic and elevational gradients in Norway and the northern Andes. Furthermore, I evaluated the reliability of presence-only data to study community responses by comparing the performance of presence-only datasets and co-occurrence datasets in estimating and predicting the community temperature index (CTI) and thermophilization of vascular plant communities in Norway. My findings demonstrate that both high-latitude and tropical plant communities are responding to climate warming in complex ways. In high-latitude regions, plant communities are not keeping up with temperature increases, leading to thermal lags that are increasing due to various dimensions of temperature-change velocity at a broad landscape scale. The magnitude of temperature change together with the distance species had to migrate to keep track of climate change were the most effective variables in explaining the thermal lag. In the tropical Andes, plant communities showed heterogeneous responses to climate warming, indicating that the combined effects of temperature, amount of precipitation, precipitation seasonality, and climatic water deficit are responsible for elevational shifts of plant communities. Moreover, aggregating presence-only data allowed for accurate estimation of CTI values and temporal thermophilization results, like those obtained using co-occurrence plot-based datasets (co-occurrence plots). In summary, this thesis provides evidence that plant communities respond to global warming in complex ways, with thermal lags increasing due to varying dimensions of temperature-change velocity at a broad landscape scale and with elevational shifts of plant communities closely related to the interplay of climate and climate change in the Neotropics. Additionally, I also demonstrate that presence-only data can be used to accurately estimate community indicators and ecological indices, such as CTI. Lastly, the findings of this thesis can be used to create accurate risk assessments of the impacts of global warming on biodiversity.