Where and how to manage: optimal selection of conservation actions for multiple species

Multiple alternative options are frequently available for the protection, maintenance or restoration of conservation areas. The choice of a particular management action can have large effects on the species occurring in the area, because different actions have different effects on different species. Together with the fact that conservation funds are limited and particular management actions are costly, it would be desirable to be able to identify where, and what kind of management should be applied to maximize conservation benefits. Currently available site-selection algorithms can identify the optimal set of sites for a reserve network. However, these algorithms have not been designed to answer what kind of action would be most beneficial at these sites when multiple alternative actions are available. We describe an algorithm capable of solving multi-species planning problems with multiple management options per site. The algorithm is based on benefit functions, which translate the effect of a management action on species representation levels into a value, in order to identify the most beneficial option. We test the performance of this algorithm with simulated data for different types of benefit functions and show that the algorithm¿s solutions are optimal, or very near globally optimal, partially depending on the type of benefit function used. The good performance of the proposed algorithm suggests that it could be profitably used for large multi-action multi-species conservation planning problems

Crystallization of magnetic dipolar monolayers: a density functional approach

We employ density functional theory to study in detail the crystallization of super-paramagnetic particles in two dimensions under the influence of an external magnetic field that lies perpendicular to the confining plane. The field induces non-fluctuating magnetic dipoles on the particles, resulting into an interparticle interaction that scales as the inverse cube of the distance separating them. In line with previous findings for long-range interactions in three spatial dimensions, we find that explicit inclusion of liquid-state structural information on the {\it triplet} correlations is crucial to yield theoretical predictions that agree quantitatively with experiment. A non-perturbative treatment is superior to the oft-employed functional Taylor expansions, truncated at second or third order. We go beyond the usual Gaussian parametrization of the density site-orbitals by performing free minimizations with respect to both the shape and the normalization of the profiles, allowing for finite defect concentrations.Comment: 23 pages, 18 figure

Where and how to conserve : Extending the scope of spatial reserve network design

Ongoing habitat loss and fragmentation threaten much of the biodiversity that we know today. As such, conservation efforts are required if we want to protect biodiversity. Conservation budgets are typically tight, making the cost-effective selection of protected areas difficult. Therefore, reserve design methods have been developed to identify sets of sites, that together represent the species of conservation interest in a cost-effective manner. To be able to select reserve networks, data on species distributions is needed. Such data is often incomplete, but species habitat distribution models (SHDMs) can be used to link the occurrence of the species at the surveyed sites to the environmental conditions at these locations (e.g. climatic, vegetation and soil conditions). The probability of the species occurring at unvisited location is next predicted by the model, based on the environmental conditions of those sites. The spatial configuration of reserve networks is important, because habitat loss around reserves can influence the persistence of species inside the network. Since species differ in their requirements for network configuration, the spatial cohesion of networks needs to be species-specific. A way to account for species-specific requirements is to use spatial variables in SHDMs. Spatial SHDMs allow the evaluation of the effect of reserve network configuration on the probability of occurrence of the species inside the network. Even though reserves are important for conservation, they are not the only option available to conservation planners. To enhance or maintain habitat quality, restoration or maintenance measures are sometimes required. As a result, the number of conservation options per site increases. Currently available reserve selection tools do however not offer the ability to handle multiple, alternative options per site. This thesis extends the existing methodology for reserve design, by offering methods to identify cost-effective conservation planning solutions when multiple, alternative conservation options are available per site. Although restoration and maintenance measures are beneficial to certain species, they can be harmful to other species with different requirements. This introduces trade-offs between species when identifying which conservation action is best applied to which site. The thesis describes how the strength of such trade-offs can be identified, which is useful for assessing consequences of conservation decisions regarding species priorities and budget. Furthermore, the results of the thesis indicate that spatial SHDMs can be successfully used to account for species-specific requirements for spatial cohesion - in the reserve selection (single-option) context as well as in the multi-option context. Accounting for the spatial requirements of multiple species and allowing for several conservation options is however complicated, due to trade-offs in species requirements. It is also shown that spatial SHDMs can be successfully used for gaining information on factors that drive a species spatial distribution. Such information is valuable to conservation planning, as better knowledge on species requirements facilitates the design of networks for species persistence. This methods and results described in this thesis aim to improve species probabilities of persistence, by taking better account of species habitat and spatial requirements. Many real-world conservation planning problems are characterised by a variety of conservation options related to protection, restoration and maintenance of habitat. Planning tools therefore need to be able to incorporate multiple conservation options per site, in order to continue the search for cost-effective conservation planning solutions. Simultaneously, the spatial requirements of species need to be considered. The methods described in this thesis offer a starting point for combining these two relevant aspects of conservation planning.Monien lajien elinympäristöt vähenevät, mikä uhkaa lajien selviytymistä pitkällä aikavälillä. Lajien sukupuuttoja voidaan ehkäistä luonnonsuojelualueita perustamalla. Suojelutyöhän varatut varat ovat kuitenkin rajalliset, joten luonnonsuojelualueiden sijoittaminen täytyy harkita tarkkaan. Suojelualueverkostojen suunnittelu on tieteenala, joka käsittelee suojelualueiden hankintaan varattujen varojen tehokasta käyttöä. Alueiden suojelu ei ole ainoa tapa auttaa lajien säilymistä. Laadultaan heikentyneiden elinympäristöjen kuntoa voidaan parantaa. Jotkin elinympäristötyypit vaativat hoitoa pysyäkseen tietynlaisina. Esimerkiksi kedot, joista monet lajit ovat riippuvaisia, metsittyvät vähitellen ilman hoitoa. Niinpä suojelusuunnittelussa täytyy päättää käytetäänkö suojelun tukena hoitotoimia elinympäristöjen säilyttämiseksi. Suojelusuunnittelussa käytettävät tietokoneohjelmistot eivät osaa vastata kysymykseen siitä, kuinka suojeltavia alueita tulisi hoitaa niiden avulla saadaan selville vain se, mitkä alueet kannattaa suojella. Olen kehittänyt väitöskirjatyössäni menetelmiä, joiden avulla voidaan määrittää mikä suojelun taso tai hoitotoimi alueelle kannattaa kohdentaa toimittaessa kustannustehokkaasti. Kun hoitotoimi on suotuisa yhdelle lajille, saattaa se olla haitallinen toiselle lajille. Tästä syystä kokonaisuuden kannalta parhaan hoitotoimen määrittäminen on vaikeaa. Kehittämäni menetelmät auttavat vaihtoehtoisten suojelu- ja hoitotoimien suunnittelemisessa sekä suojelupäätösten seurausten arvioimisessa. Suojelualuesuunnittelussa on tärkeää huomioida alueiden sijoittelu toisiinsa nähden, sillä yksilöiden liikkuminen eri suojelualueiden välillä on lajiston säilymisen kannalta tärkeää. Koska eri lajien leviämiskyvyt ovat erilaiset, tulee suojelualueverkoston rakennetta arvioida lajien ominaisuudet huomioiden. Osoitan työssäni kuinka lajien esiintymisen todennäköisyys kasvaa kun suojeluverkoston rakenteessa huomioidaan lajien leviämiskyvyt. Suojelualueverkoston rakenteen huomioiminen on erityisen vaikeaa silloin, kun käytettävissä on useita vaihtoehtoisia suojelutoimia, mutta esitän työssäni tälle ongelmalle yhtä lajia kerrallaan tarkastelevan ratkaisun. Jotta lajien pitkän aikavälin säilymistä autetaan parhaalla tavalla, tulee suojeluun varatut resurssit kohdentaa mahdollisimman tehokkaasti. Suojelusuunnittelussa täytyy yleensä valita yksi vaihtoehtoisista suojelu- tai hoitotoimista kullekin kohteelle. Nämä vaihtoehtoiset toimet tulee siten sisällyttää suojelusuunnittelussa käytettäviin menetelmiin ja tietokoneohjelmistoihin. Väitöskirjatyöni ottaa ensimmäisen askeleen tähän suuntaan, ja näyttää kuinka suojelualueverkoston rakenteessa voidaan huomioida lajien erilaiset liikkumiskyvyt ja elintilatarpeet.Steeds meer habitat van veel plant- en diersoorten verdwijnt. Deze soorten worden daardoor in hun voortbestaan bedreigd. Om deze soorten en hun habitat te beschermen, kunnen natuurreservaten worden aangewezen. Het budget voor natuurbescherming is echter beperkt, waardoor er nauwkeurig gekeken moet worden welke gebieden het best aangewezen kunnen worden als natuurgebied. Computerprogramma’s kunnen helpen bij het identificeren van gebieden die samen een kosteneffectief natuurnetwerk vormen. Om habitat en soorten te beschermen, is het aanwijzen van natuurgebieden niet de enige mogelijkheid. Natuurherstel en –beheersmaatregelen kunnen nodig zijn om bijvoorbeeld vegetatie in de gewenste conditie te krijgen en te houden. Zo zouden heide of extensief grasland mettertijd bos kunnen worden, als er niet begraasd, gemaaid of geplagd wordt. Hierdoor zou het habitat voor soorten die leven in extensieve graslanden en heide verdwijnen. In het natuurbeheer moet men daarom niet alleen beslissen welke plekken er beschermd moeten worden, maar ook welke herstel- of beheersmaatregelen nodig zijn. De computerprogramma’s die gebruikt worden voor het selecteren van natuurnetwerken, zijn niet geschikt voor het beantwoorden van de vraag hoe plekken het beste beheerd kunnen worden, wanneer er meerdere beschermings- of beheersopties per plek zijn. In dit proefschrift zijn methoden beschreven die wel hulp kunnen bieden bij het maken van beslissingen over hoe verschillende plekken te beheren op een kosteneffectieve manier. Zulke informatie kan gebruikt worden bij het maken van beslissingen over natuurbeheer. Bij het selecteren van natuurreservaten is het belangrijk om de ruimtelijke samenhang van de verschillende reservaten in ogenschouw te nemen. Dit, om de uitwisseling van individuen van soorten tussen de verschillende gebieden mogelijk te maken, wat belangrijk is voor het voorbestaan van soorten. De behoefte voor de grootte van plekken en de ruimtelijke samenhang van die plekken verschilt per soort, waar bij het ontwerp van netwerken rekening moet worden gehouden. Dit proefschrift beschrijft hoe de kans op voorkomen van soorten in het reservaatnetwerk toeneemt, naarmate meer rekening wordt gehouden met de specifieke behoeften aan samenhang van die soorten in het ontwerp van reservaatnetwerken. Wanneer er meerdere beschermings- en beheersopties per plek mogelijk zijn, dan wordt het moeilijk om tegelijkertijd rekening te houden met soort-specifieke eisen aan ruimtelijke samenhang. Dit komt doordat beheersmaatregelen die gunstig zijn voor bepaalde soorten (zoals begrazing van grasland voor graslandsoorten, bijv. sommige vlinders), tegelijkertijd ongunstig kunnen zijn voor andere soorten (bijv. bosplanten). Het proefschrift beschrijft een methode voor het plannen met meerdere opties én ruimtelijke samenhang, voor één soort tegelijkertijd. Om soorten ook op de lange termijn te behouden, is een kosteneffectieve besteding van budget voor natuurbehoud nodig. Het plannen van natuurbeschermingsmaatregelen omvat vaak een keuze tussen meerdere alternatieve maatregelen per plek. De computerprogramma’s ter ondersteuning van planning voor natuurbeheer moeten daarom geschikt gemaakt worden voor meerdere opties. Dit proefschrift maakt een eerste stap in die richting, en geeft ook suggesties hoe expliciet rekening kan worden gehouden met de specifieke eisen van soorten voor ruimtelijke samenhang van natuurgebieden

EcoTRADE : Investigating the suitability of tradable permits for biodiversity conservation in changing landscapes

Habitat restoration has been employed in the context of ecological compensation, to offset negative impacts on ecosystems as a result of development projects. Compensation measures are aimed at maintaining the size and quality of ecological networks. These measures are decided on a case-by-case basis, as a response to development. Traditionally, there is a preference to restore the same type of habitat near the location of impact. This practice ignores three main issues however: 1) the current spatial configuration of ecological networks may not be sufficient to maintain species at the long term, given ecosystem dynamics and climate change, 2) conservation budgets are perhaps more effectively spent on restoration of other, scarcer habitat types, and 3) restoration costs and potential differ per location, for which there is scope to achieve conservation targets more cost-efficiently. Furthermore, the current reactive nature of compensation practice does not stimulate a strategic approach to conservation that is flexible in response to ongoing changes

Colloidal crystal growth at externally imposed nucleation clusters

We study the conditions under which and how an imposed cluster of fixed colloidal particles at prescribed positions triggers crystal nucleation from a metastable colloidal fluid. Dynamical density functional theory of freezing and Brownian dynamics simulations are applied to a two-dimensional colloidal system with dipolar interactions. The externally imposed nucleation clusters involve colloidal particles either on a rhombic lattice or along two linear arrays separated by a gap. Crystal growth occurs after the peaks of the nucleation cluster have first relaxed to a cutout of the stable bulk crystal.Comment: 4 pages, accepted for publication in Phys. Rev. Let