Empirical Predictability of Community Responses to Climate Change

Robust predictions of ecosystem responses to climate change are challenging. To achieve such predictions, ecology has extensively relied on the assumption that community states and dynamics are at equilibrium with climate. However, empirical evidence from Quaternary and contemporary data suggest that species communities rarely follow equilibrium dynamics with climate change. This discrepancy between the conceptual foundation of many predictive models and observed community dynamics casts doubts on our ability to successfully predict future community states. Here we used community response diagrams (CRDs) to empirically investigate the occurrence of different classes of disequilibrium responses in plant communities during the Late Quaternary, and bird communities during modern climate warming in North America. We documented a large variability in types of responses including alternate states, suggesting that equilibrium dynamics are not the most common type of response to climate change. Bird responses appeared less predictable to modern climate warming than plant responses to Late Quaternary climate warming. Furthermore, we showed that baseline climate gradients were a strong predictor of disequilibrium states, while ecological factors such as species' traits had a substantial, but inconsistent effect on the deviation from equilibrium. We conclude that (1) complex temporal community dynamics including stochastic responses, lags, and alternate states are common; (2) assuming equilibrium dynamics to predict biodiversity responses to future climate changes may lead to unsuccessful predictions

The ecological causes of functional distinctiveness in communities

Recent work has shown that evaluating functional trait distinctiveness, the average trait distance of a species to other species in a community offers promising insights into biodiversity dynamics and ecosystem functioning. However, the ecological mechanisms underlying the emergence and persistence of functionally distinct species are poorly understood. Here, we address the issue by considering a heterogeneous fitness landscape whereby functional dimensions encompass peaks representing trait combinations yielding positive population growth rates in a community. We identify four ecological cases contributing to the emergence and persistence of functionally distinct species. First, environmental heterogeneity or alternative phenotypic designs can drive positive population growth of functionally distinct species. Second, sink populations with negative population growth can deviate from local fitness peaks and be functionally distinct. Third, species found at the margin of the fitness landscape can persist but be functionally distinct. Fourth, biotic interactions (positive or negative) can dynamically alter the fitness landscape. We offer examples of these four cases and guidelines to distinguish between them. In addition to these deterministic processes, we explore how stochastic dispersal limitation can yield functional distinctiveness. Our framework offers a novel perspective on the relationship between fitness landscape heterogeneity and the functional composition of ecological assemblages

FROM’MIR : Développer des outils de prédiction et de conseil pour maîtriser la fromageabilité des laits destinés à la fabrication des fromages traditionnels franc-comtois

Ce volume regroupe les textes issus du programme Casdar "Innovation et Partenariat" et "Recherche finalisée et innovation" de 2014. Il a été réalisé sous l’égide du GIS Relance Agronomique.Mid-infrared spectroscopy prediction equations of the cheese-making properties of milk, established inthe Franche-Comté PDO/PGI context, exist for the first time in France. Laboratory curd yield in DryMatter was consistent with the yields observed in mini-manufactures of soft and pressed cookedcheeses and it is the best predicted parameter. Under our conditions, some coagulation properties suchas curd firmness could be estimated. The acidification properties, which heavily depend on themicrobiological component of milk, are poorly estimated. The best prediction performances wereobtained on individual cow milks. The performances were poorer on the scale of bulk milks, herd tankmilk but especially dairy vat milk. The study of variation factors made it possible to highlight theimportant weight of genetics with a high level of heritability and strong effects of the genome regionsinvolved. The quality and quantity of fodder and the distribution of calves were influential in the contextstudied. In this same context, few factors of variation have been identified at the scale of dairy vat milks,as the practices were very much governed by the PDO specifications. At the end of this project, anobservatory, from the quality of the milk to the quality of the cheese, will be set up in Franche Comté.Studies will also be carried out at the national level to consolidate and improve the equations in othercontexts.Des équations MIR (spectrométrie moyen infrarouge) d'estimation de la fromageabilité des laits,établies en contexte AOP/IGP franc-comtois, existent pour la première fois en France. Le rendementlaboratoire extrait sec (ES), cohérent avec les rendements observés en mini-fabrications de fromages àpâte molle et à pâte pressée cuite, est le paramètre le mieux prédit. Dans nos conditions, certainsaspects de l'aptitude à la coagulation enzymatique, comme la fermeté des gels, peuvent être estimés.L’aptitude à l’acidification, dépendant fortement de la composante microbiologique des laits, est quant àelle mal estimée. Les meilleures performances de prédiction sont obtenues sur les laits individuels devaches. Les performances sont moins bonnes à l’échelle des laits de mélange, des laits de troupeauxmais surtout des laits de cuves de fromagerie. L'étude des facteurs de variation a permis de mettre enévidence le poids important de la génétique avec un niveau d’héritabilité élevé et des effets forts desrégions du génome impliquées. La qualité et la quantité de fourrages ainsi que la répartition desvêlages sont influents dans le contexte étudié. Dans ce même contexte, peu de facteurs de variationont été mis en évidence à l’échelle des laits de cuves, les pratiques étant très encadrées par le cahierdes charges AOP. A l’issue de ce projet, un observatoire, depuis la qualité des laits jusqu’à celle desfromages, va être mis en place en Franche Comté. Des études seront aussi mises en œuvre au niveaunational pour permettre notamment une consolidation et une amélioration des équations dans d'autrescontextes

Birds' responses to climate change : towards a multi-scale approach to reveal their drivers and consequences

Les changements globaux affectent la biodiversité à tous les niveaux de l’espace, du temps et d’organisation biologique. Afin de limiter notre impact sur le monde naturel, il est nécessaire de concilier nos activités avec les dynamiques de la biodiversité. Dans ce but, l’écologie scientifique a pour rôle d’apporter les connaissances scientifiques nécessaires à la compréhension et à la prédiction des réponses de la biodiversité lorsqu’elle est confrontée à de tels changements environnementaux. Or, la compréhension des processus par lesquels les activités humaines influent sur la diversité écologique est limité par la compartimentation de la discipline dans les échelles spatiales, temporelles, et entre les niveaux d’organisations.Partant de ce constat, ce travail de thèse s’est intéressé aux réponses des communautés d’oiseaux communs au changement climatique, en proposant une vision intégrative de l’écologie des changements globaux. J’ai notamment cherché à montrer comment la prise en compte des interactions entre les différentes échelles nous permettaient de lever le voile sur les processus mis en jeu dans les réponses des communautés précédemment décrites sur de larges échelles. En analysant des données issus de suivis à long-terme des oiseaux nicheurs communs en Europe (France, Suède) et en Amérique du Nord, j’ai proposé une navigation dans les dimensions spatiales, temporelles et les niveaux d’organisations. En confrontant les différentes échelles, mes travaux ont notamment montré que :(i) la recomposition thermique des communautés est une réponse non-linéaire aux variations de température déterminée à l’échelle locale, probablement via des processus démographiques influencés par les anomalies de températures.(ii) la présence d’aires protégées, la diversité en habitat et la topographie du paysage facilite la réponse des oiseaux communs aux variations de températures locales.(iii) la réponse à l’échelle des communautés est le fruit d’une interaction entre les dynamiques des espèces et les caractéristiques de leur niche thermique : les espèces abondantes ainsi que les espèces plus rares aux niches thermiques froides sont responsables des dynamiques de communautés observées.(v) le changement climatique joue un rôle notable dans le processus d’homogénéisation biotique. Les variations de température locales amènent une perte des espèces spécialistes et fonctionnellement originales, probablement via le relâchement des filtres écologiques sur l’assemblage des communautés.J’explore les conséquences de ces résultats sur notre compréhension des processus qui sous-tendent l’impact du changement climatique sur la composition fonctionnelle des communautés, ainsi que sur l’adaptation de nos stratégies d’aménagement du territoire. Je propose en conclusion de dépasser les clivages de l’écologie pour prendre plus explicitement et plus systématiquement en compte les interactions entre échelles. Je défends l’idée selon laquelle cette évolution de paradigme est nécessaire au développement d’une (macro) écologie plus mature et prédictive à même de répondre au défi imposé par la crise de la biodiversité.Global changes affect biodiversity at all spatial, temporal and biological scales. In order to mitigate the human impact on nature, we must balance our activitis with biodiversity dynamics. To this end, scientific ecology must provide the scientific knowledge necessary for the understanding and prediction of biodiversity responses facing environmental changes. However, understanding the processes by which human activities affect the ecological diversity is still limited by the separation of ecology in different geographical, temporal, and biological levels.My work investigated birds’ communities responses to climate change by adopting an integrative view of global changes ecology. I precisely sought to show how considering interactions between different scales can unveil the processes involved in over large scales community responses previously described. By analyzing data from long-term monitoring of common breeding birds in Europe (France, Sweden) and North-America, I proposed proposed a multi-scale consideratin of space, time and levels of organizations. By confronting different scales, my work has shown that:(i) thermal recomposition of communities is a non-linear response to temperature variations locally determined, probably via demographic processes influenced by temperature anomalies.(ii) the amount of protected areas, habitat diversity and landscape topography promotes the response of common birds to local temperature variations.(iii) community level responses are shaped by the interaction between the species dynamics and their their thermal niche: both abundant species and rare species with cold thermal niches are responsible for the observed community dynamics.(iv) climate change drives a part of the biotic homogenization process. Local temperature changes lead to a relative loss of habitat-specialist and functionally original species, probably via the relaxation of environmental filters on the assembly of communities.I discussed the implications of these results on our understanding of the processes underlying the impact of climate change on the functional composition of communities, as well as adaptation of our land-management strategies. In conclusion, I suggest to move towards a more unified ecology by taking more explicitly and systematically into account the interactions between scales. I argue that such a change is necessary for the development of a more mature and predictive ecology able to took on the challenge imposed by the ongoing biodiversity crisis

Réponses de l'avifaune commune au changement climatique : naviguer entre les échelles pour mieux identifier leurs déterminants et leurs conséquences

Global changes affect biodiversity at all spatial, temporal and biological scales. In order to mitigate the human impact on nature, we must balance our activitis with biodiversity dynamics. To this end, scientific ecology must provide the scientific knowledge necessary for the understanding and prediction of biodiversity responses facing environmental changes. However, understanding the processes by which human activities affect the ecological diversity is still limited by the separation of ecology in different geographical, temporal, and biological levels.My work investigated birds’ communities responses to climate change by adopting an integrative view of global changes ecology. I precisely sought to show how considering interactions between different scales can unveil the processes involved in over large scales community responses previously described. By analyzing data from long-term monitoring of common breeding birds in Europe (France, Sweden) and North-America, I proposed proposed a multi-scale consideratin of space, time and levels of organizations. By confronting different scales, my work has shown that:(i) thermal recomposition of communities is a non-linear response to temperature variations locally determined, probably via demographic processes influenced by temperature anomalies.(ii) the amount of protected areas, habitat diversity and landscape topography promotes the response of common birds to local temperature variations.(iii) community level responses are shaped by the interaction between the species dynamics and their their thermal niche: both abundant species and rare species with cold thermal niches are responsible for the observed community dynamics.(iv) climate change drives a part of the biotic homogenization process. Local temperature changes lead to a relative loss of habitat-specialist and functionally original species, probably via the relaxation of environmental filters on the assembly of communities.I discussed the implications of these results on our understanding of the processes underlying the impact of climate change on the functional composition of communities, as well as adaptation of our land-management strategies. In conclusion, I suggest to move towards a more unified ecology by taking more explicitly and systematically into account the interactions between scales. I argue that such a change is necessary for the development of a more mature and predictive ecology able to took on the challenge imposed by the ongoing biodiversity crisis.Les changements globaux affectent la biodiversité à tous les niveaux de l’espace, du temps et d’organisation biologique. Afin de limiter notre impact sur le monde naturel, il est nécessaire de concilier nos activités avec les dynamiques de la biodiversité. Dans ce but, l’écologie scientifique a pour rôle d’apporter les connaissances scientifiques nécessaires à la compréhension et à la prédiction des réponses de la biodiversité lorsqu’elle est confrontée à de tels changements environnementaux. Or, la compréhension des processus par lesquels les activités humaines influent sur la diversité écologique est limité par la compartimentation de la discipline dans les échelles spatiales, temporelles, et entre les niveaux d’organisations.Partant de ce constat, ce travail de thèse s’est intéressé aux réponses des communautés d’oiseaux communs au changement climatique, en proposant une vision intégrative de l’écologie des changements globaux. J’ai notamment cherché à montrer comment la prise en compte des interactions entre les différentes échelles nous permettaient de lever le voile sur les processus mis en jeu dans les réponses des communautés précédemment décrites sur de larges échelles. En analysant des données issus de suivis à long-terme des oiseaux nicheurs communs en Europe (France, Suède) et en Amérique du Nord, j’ai proposé une navigation dans les dimensions spatiales, temporelles et les niveaux d’organisations. En confrontant les différentes échelles, mes travaux ont notamment montré que :(i) la recomposition thermique des communautés est une réponse non-linéaire aux variations de température déterminée à l’échelle locale, probablement via des processus démographiques influencés par les anomalies de températures.(ii) la présence d’aires protégées, la diversité en habitat et la topographie du paysage facilite la réponse des oiseaux communs aux variations de températures locales.(iii) la réponse à l’échelle des communautés est le fruit d’une interaction entre les dynamiques des espèces et les caractéristiques de leur niche thermique : les espèces abondantes ainsi que les espèces plus rares aux niches thermiques froides sont responsables des dynamiques de communautés observées.(v) le changement climatique joue un rôle notable dans le processus d’homogénéisation biotique. Les variations de température locales amènent une perte des espèces spécialistes et fonctionnellement originales, probablement via le relâchement des filtres écologiques sur l’assemblage des communautés.J’explore les conséquences de ces résultats sur notre compréhension des processus qui sous-tendent l’impact du changement climatique sur la composition fonctionnelle des communautés, ainsi que sur l’adaptation de nos stratégies d’aménagement du territoire. Je propose en conclusion de dépasser les clivages de l’écologie pour prendre plus explicitement et plus systématiquement en compte les interactions entre échelles. Je défends l’idée selon laquelle cette évolution de paradigme est nécessaire au développement d’une (macro) écologie plus mature et prédictive à même de répondre au défi imposé par la crise de la biodiversité

Data and code for the article " Dissimilarity of vertebrate trophic interactions reveals spatial uniqueness but functional redundancy across Europe"

<p>Research compendium to reproduce analyses and figures of the article: <i>Dissimilarity of vertebrate trophic interactions reveals spatial uniqueness but functional redundancy across Europe</i> by Gaüzère <i>et al.</i> published in <i>Current Biology</i></p><p>Pierre Gaüzère</p><h2>General</h2><p>This repository is structured as follow:</p><ul><li>data/: contains data required to reproduce figures and tables</li><li>analyses/: contains scripts organized sequentially. A -> B -> C -> ..</li><li>outputs/: follows the structure of analyses. Contains intermediate numeric results used to produce the figures</li><li>figures_tables/: Contains the figures of the paper</li></ul><p>The analysis pipeline should be clear once opening the code. Contact me if needed but try before please. </p><h2>Figures & tables</h2><p>Figures will be stored in figures_tables/. Tables will be stored in outputs/.</p&gt

Mismatches between birds' spatial and temporal dynamics reflect their delayed response to global changes

International audienceGlobal changes alter the dynamics of biodiversity, and are forecasted to continue or worsen in the decades to come. Modelling approaches used to anticipate these impacts are mainly based on the equivalence between spatial and temporal response to environmental forcings, generally called space-for-time substitution. However, several processes are known to generate deviations between spatial and temporal responses, potentially undermining the prediction based on space-for-time substitution. We here used high-resolution data from the french breeding bird survey to quantify and map the deviation between spatial and temporal patterns of bird abundances resulting from the dynamics of 124 species monitored in 2133 sites between 2001 and 2012. Using independent empirical data, we then tested specific predictions linked to the determinants (anthropogenic activities) and processes (lagged responses to environmental changes) potentially generating these deviations. We found that deviations between spatial and temporal patterns of abundances were particularly structured in space for bird communities. Following our predictions, these space-time deviations were positively correlated with the human influence on ecosystems, and linked with colonization-extinction ratios and community completeness, two markers of ongoing delayed responses to environmental changes. Our results suggest that the deviations between spatial and temporal patterns are related to recent anthropogenic environmental changes and disequilibrium responses to these changes. Investigating deviations between spatial and temporal patterns of biodiversity might open promising perspectives for a formal quantification of disequilibrium state of biodiversity at large spatial scale

Where do they go? The effects of topography and habitat diversity on reducing climatic debt in birds

International audienc

Apprentissage profond pour l'approximation d'une distance d'édition entre graphes

National audienceDans cet article, nous proposons une méthode d'appproximation de la distance d'édition entre graphes basée sur l'utilisation de deux techniques récentes d'apprentissage profond : la convolution dilatée et le Spatial Pyramid Pooling (SPP). L'approche proposée prend en entrée la matrice de taille variable utilisée par l'approximation BP-GED [RNB07]. Après une transformation permettant d'introduire une invariance aux permutations dans la matrice, la combinaison des deux techniques d'apprentissage permet d'obtenir un vecteur de caractéristiques de taille fixe, utilisé en entrée de couches denses modélisant un régresseur. L'approche proposée est évaluée sur deux bases de graphes de référence. Les résultats obtenus sont comparés avec ceux de la seule approche qui exploite de l'apprentissage pour approximer la distance d'édition. Les résultats obtenus, bien qu'à confirmer sur un nombre plus important de bases, montrent la supériorité de l'approche proposée

Apprentissage profond pour l'approximation d'une distance d'édition entre graphes

National audienceDans cet article, nous proposons une méthode d'appproximation de la distance d'édition entre graphes basée sur l'utilisation de deux techniques récentes d'apprentissage profond : la convolution dilatée et le Spatial Pyramid Pooling (SPP). L'approche proposée prend en entrée la matrice de taille variable utilisée par l'approximation BP-GED [RNB07]. Après une transformation permettant d'introduire une invariance aux permutations dans la matrice, la combinaison des deux techniques d'apprentissage permet d'obtenir un vecteur de caractéristiques de taille fixe, utilisé en entrée de couches denses modélisant un régresseur. L'approche proposée est évaluée sur deux bases de graphes de référence. Les résultats obtenus sont comparés avec ceux de la seule approche qui exploite de l'apprentissage pour approximer la distance d'édition. Les résultats obtenus, bien qu'à confirmer sur un nombre plus important de bases, montrent la supériorité de l'approche proposée