Freshwater ecosystem services in mining regions : modelling options for policy development support

The ecosystem services (ES) approach offers an integrated perspective of social-ecological systems, suitable for holistic assessments of mining impacts. Yet for ES models to be policy-relevant, methodological consensus in mining contexts is needed. We review articles assessing ES in mining areas focusing on freshwater components and policy support potential. Twenty-six articles were analysed concerning (i) methodological complexity (data types, number of parameters, processes and ecosystem-human integration level) and (ii) potential applicability for policy development (communication of uncertainties, scenario simulation, stakeholder participation and management recommendations). Articles illustrate mining impacts on ES through valuation exercises mostly. However, the lack of ground-and surface-water measurements, as well as insufficient representation of the connectivity among soil, water and humans, leave room for improvements. Inclusion of mining-specific environmental stressors models, increasing resolution of topographies, determination of baseline ES patterns and inclusion of multi-stakeholder perspectives are advantageous for policy support. We argue that achieving more holistic assessments exhorts practitioners to aim for high social-ecological connectivity using mechanistic models where possible and using inductive methods only where necessary. Due to data constraints, cause-effect networks might be the most feasible and best solution. Thus, a policy-oriented framework is proposed, in which data science is directed to environmental modelling for analysis of mining impacts on water ES

Tools for Assessing Climate Impacts on Fish and Wildlife

Climate change is already affecting many fish and wildlife populations. Managing these populations requires an understanding of the nature, magnitude, and distribution of current and future climate impacts. Scientists and managers have at their disposal a wide array of models for projecting climate impacts that can be used to build such an understanding. Here, we provide a broad overview of the types of models available for forecasting the effects of climate change on key processes that affect fish and wildlife habitat (hydrology, fire, and vegetation), as well as on individual species distributions and populations. We present a framework for how climate-impacts modeling can be used to address management concerns, providing examples of model-based assessments of climate impacts on salmon populations in the Pacific Northwest, fire regimes in the boreal region of Canada, prairies and savannas in the Willamette Valley-Puget Sound Trough-Georgia Basin ecoregion, and marten Martes americana populations in the northeastern United States and southeastern Canada. We also highlight some key limitations of these models and discuss how such limitations should be managed. We conclude with a general discussion of how these models can be integrated into fish and wildlife management

Impacts of land cover data selection and trait parameterisation on dynamic modelling of species' range expansion

Peer reviewedPublisher PD

GIS-based modeling of land use systems - Common Agricultural Policy reform and its impact on agricultural land use and plant species richness

An assessment of agricultural policy measures and their sustainability needs to consider economic, social, and ecological aspects. The current paradigm shift of the European Union’s Common Agricultural Policy (CAP) from coupled to decoupled transfer payments calls for such an evaluation. Land users have to reevaluate their production program and its spatial allocation. Consequently, agricultural policy influences regional land use patterns and shares of land use systems, which in turn influence regional plant species richness. Connecting land use and ecological models allows to assess socioeconomic and ecologic effects of policy measures by identifying interactions and estimating potential trade-offs. The paper presents the land use model ProLand and the fuzzy expert system UPAL. ProLand models the regional distribution of land use systems while UPAL predicts plant species richness. The models are connected through a GIS and applied to a study area in Hesse, Germany, in order to simulate the effects of changing conditions on land use, economic and social key indicators, and plant species richness. ProLand is a spatially explicit comparative static model that simulates a region’s land use pattern based on natural, socioeconomic, political, and technological parameters. The model assumes land rent maximizing behavior of land users. It calculates and assigns the land rent maximizing land use system for every investigated decision unit, generally a field. A land use system is characterized through crop rotation, corresponding outdoor operations, animal husbandry if applicable, and the relevant political and socioeconomic attributes. The fuzzy expert system derives the values of ecologically relevant parameters from several site specific attributes and land use operations. Land use dependent site characteristics that influence plant species richness are derived from predictions generated by ProLand. Detailed information on crop rotation, fertilization and pesticide strategy, and outdoor operations are considered. The expert system then classifies natural and land use dependent site characteristics into aggregate factors. Based on a set of rules it assigns the number of species to the classes and thus to the decision units. Simulation results for the study area show that the CAP reform causes a rise in grassland area. These land use changes mainly occur in areas currently used for arable farming but with natural conditions favoring grassland. Plant species richness is positively influenced by the increase in extensive grassland area.

Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration

RESUMEN Los peces nativos son indicadores de la salud de los ecosistemas acuáticos, y se han convertido en un elemento de calidad clave para evaluar el estado ecológico de los ríos. La comprensión de los factores que afectan a las especies nativas de peces es importante para la gestión y conservación de los ecosistemas acuáticos. El objetivo general de esta tesis es analizar las relaciones entre variables biológicas y de hábitat (incluyendo la conectividad) a través de una variedad de escalas espaciales en los ríos Mediterráneos, con el desarrollo de herramientas de modelación para apoyar la toma de decisiones en la restauración de ríos. Esta tesis se compone de cuatro artículos. El primero tiene como objetivos modelar la relación entre un conjunto de variables ambientales y la riqueza de especies nativas (NFSR), y evaluar la eficacia de potenciales acciones de restauración para mejorar la NFSR en la cuenca del río Júcar. Para ello se aplicó un enfoque de modelación de red neuronal artificial (ANN), utilizando en la fase de entrenamiento el algoritmo Levenberg-Marquardt. Se aplicó el método de las derivadas parciales para determinar la importancia relativa de las variables ambientales. Según los resultados, el modelo de ANN combina variables que describen la calidad de ribera, la calidad del agua y el hábitat físico, y ayudó a identificar los principales factores que condicionan el patrón de distribución de la NFSR en los ríos Mediterráneos. En la segunda parte del estudio, el modelo fue utilizado para evaluar la eficacia de dos acciones de restauración en el río Júcar: la eliminación de dos azudes abandonados, con el consiguiente incremento de la proporción de corrientes. Estas simulaciones indican que la riqueza aumenta con el incremento de la longitud libre de barreras artificiales y la proporción del mesohabitat de corriente, y demostró la utilidad de las ANN como una poderosa herramienta para apoyar la toma de decisiones en el manejo y restauración ecológica de los ríos Mediterráneos. El segundo artículo tiene como objetivo determinar la importancia relativa de los dos principales factores que controlan la reducción de la riqueza de peces (NFSR), es decir, las interacciones entre las especies acuáticas, variables del hábitat (incluyendo la conectividad fluvial) y biológicas (incluidas las especies invasoras) en los ríos Júcar, Cabriel y Turia. Con este fin, tres modelos de ANN fueron analizados: el primero fue construido solamente con variables biológicas, el segundo se construyó únicamente con variables de hábitat y el tercero con la combinación de estos dos grupos de variables. Los resultados muestran que las variables de hábitat son los ¿drivers¿ más importantes para la distribución de NFSR, y demuestran la importancia ecológica de los modelos desarrollados. Los resultados de este estudio destacan la necesidad de proponer medidas de mitigación relacionadas con la mejora del hábitat (incluyendo la variabilidad de caudales en el río) como medida para conservar y restaurar los ríos Mediterráneos. El tercer artículo busca comparar la fiabilidad y relevancia ecológica de dos modelos predictivos de NFSR, basados en redes neuronales artificiales (ANN) y random forests (RF). La relevancia de las variables seleccionadas por cada modelo se evaluó a partir del conocimiento ecológico y apoyado por otras investigaciones. Los dos modelos fueron desarrollados utilizando validación cruzada k-fold y su desempeño fue evaluado a través de tres índices: el coeficiente de determinación (R2 ), el error cuadrático medio (MSE) y el coeficiente de determinación ajustado (R2 adj). Según los resultados, RF obtuvo el mejor desempeño en entrenamiento. Pero, el procedimiento de validación cruzada reveló que ambas técnicas generaron resultados similares (R2 = 68% para RF y R2 = 66% para ANN). La comparación de diferentes métodos de machine learning es muy útil para el análisis crítico de los resultados obtenidos a través de los modelos. El cuarto artículo tiene como objetivo evaluar la capacidad de las ANN para identificar los factores que afectan a la densidad y la presencia/ausencia de Luciobarbus guiraonis en la demarcación hidrográfica del Júcar. Se utilizó una red neuronal artificial multicapa de tipo feedforward (ANN) para representar relaciones no lineales entre descriptores de L. guiraonis con variables biológicas y de hábitat. El poder predictivo de los modelos se evaluó con base en el índice Kappa (k), la proporción de casos correctamente clasificados (CCI) y el área bajo la curva (AUC) característica operativa del receptor (ROC). La presencia/ausencia de L. guiraonis fue bien predicha por el modelo ANN (CCI = 87%, AUC = 0.85 y k = 0.66). La predicción de la densidad fue moderada (CCI = 62%, AUC = 0.71 y k = 0.43). Las variables más importantes que describen la presencia/ausencia fueron: radiación solar, área de drenaje y la proporción de especies exóticas de peces con un peso relativo del 27.8%, 24.53% y 13.60% respectivamente. En el modelo de densidad, las variables más importantes fueron el coeficiente de variación de los caudales medios anuales con una importancia relativa del 50.5% y la proporción de especies exóticas de peces con el 24.4%. Los modelos proporcionan información importante acerca de la relación de L. guiraonis con variables bióticas y de hábitat, este nuevo conocimiento podría utilizarse para apoyar futuros estudios y para contribuir en la toma de decisiones para la conservación y manejo de especies en los en los ríos Júcar, Cabriel y Turia.Olaya Marín, EJ. (2013). Ecological models at fish community and species level to support effective river restoration [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/28853TESI

Historical forest biomass dynamics modelled with Landsat spectral trajectories

Acknowledgements National Forest Inventory data are available online, provided by Ministerio de Agricultura, Alimentación y Medio Ambiente (España). Landsat images are available online, provided by the USGS.Peer reviewedPostprin