Risks affectingbiodiversity

Serge Morand(CBGP)

• What is biodiversity?• Biodiversity in a changing world• Risks for biodiversity

– Distribution range– Bioinvasion– GMOs– Living resources– Health

• Risk analysis• The need of biodiversity indicators• How to predict, tools for risk analysis

– distribution range– health

Aims

What is biodiversity?

Diversity of species

Diversity of ecosystems

Diversity of human knowledge

Diversity of millet in West Africa

Diversity of genes

Earth Summit – Rio 1992Convention on Biological Diversity

“Biological diversity” means the variability among organisms from all sources including, inter alia, terrestrial, marine and other aquatic ecosystems and the ecological complexes of which they are part of; this includes diversity within species, between species and of ecosystems”

• Variability• Interactions• Evolution

Biodiversity in a global change

(Chapin et al. 2000)

OBSERVED EFFECTS OF GLOBAL CHANGE ONBIODIVERSITY

Phenological changes

DATE DE DEBUT VENDANGES A CHATEAUNEUF DU PAPE depuis 1945

1-sept6-sept

11-sept16-sept21-sept

26-sept1-oct

6-oct11-oct

1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000( B. Séguin INRA)

Phenology of vine tree

30-60 yMigration 1.3-4.4 d per decadeReproduction 1.9-4.8 d per décade

Europe, Amérique du Nord

Birds

25 yReproductionUKAmphibians

23 y2.8-3.2 d per decade (emergence)GBButterflies

30-48 y35-63 y

1.4-3.1 d per decade1.2-2.0 d per decadeflowering

EuropeNorth America

Plants

PeriodsObserved changesLocationTaxon

Changes in area distribution

Temperature increaseNorth extension of one species with simultaneous retreat of the other

CanadaVulpes (2 species)

Winter temperatures18.9 km north migration in 20 years

Great BritainBirds (12 species)

Dry seasons frequenciesExtension in altitudeCosta-RicaBirds

Temperature increaseNorth extension of 200 kms in 27 years

North America Europe

Butterflies (39 species)

Costal temperature increase

Abundance increase of species from warm waters

Californian coastsNorth Atlantic

Zooplancton, intertidalvertebrates, fish

Temperature increaseElevation 1-4 mètre par décade

European AlpsAlpine plants

Temperature increaseExtensionAlaskaActic vegetation

Climate linkObserved changesLocationSpecies

EVOLUTIONOF LIVING RESOURCES

Fish biomass in 1900

(t/km2)

Christensen et al. (Fish & Fisheries, 2003).

And in 2000….Christensen et al. (Fish & Fisheries, 2003).

U.S. Bureau of the census, Watson and Pauly (2002)

Living resources: food security

Global changes and fisheries

(Brander)

Cod catches in Greenland and ocean temperature

Effects of ENSO, NAO on the food web ?

Interactions with fishery management?

BIOLOGICAL INVASIONS

•twelve billion tons of water transported by year all around the world by boats (ballasts)

• 3,000 species are displaced each day

• Pacific jellyfish introduced in the Black Sea (1980s) -> 90% drop in fish catch

• 298 non indigenous species along the North American coasts

Example : marine bioinvasions

- Higher inter temperature reducing mortality- Decrease of top predators and competitors (over-fishing)- Agriculture inputs -> phytoplancton blooms- Crash of fisheries

Interactions uses and climate: Giant jellyfish in Japan Sea

CHANGES IN BIODIVERSITY AND

HEALTH ECOLOGY

vector-borne diseases

distribution of vectorsdensity of vectorslongevity of vectorsincubation time

Simulie

Cératopogonide

Mouche des cornesStomoxe

Puce du chat Moustique

Climate change,biodiversity and health

(after Gérard Duvallet)

Extreme events and human health

Extreme events, major El Niño, and epidemic outbreaks in 1997-1998 ( Bryan Christie/Scientific American 2000)

EXTINCTIONS

Millions d’années600 400 200 0

Nom

bre

de fa

mill

es

200

400

600

800

500 300 100

Paleozoic MesozoicCenozoic

Actual annual rate of extinction is 1,000 timesActual annual rate of extinction is 1,000 timesthe natural ratethe natural rate

Major crises of extinction

Amphibians (world)

Birds (UK)

All species

Forest species

Open land species

Forest habitas

Marine habitats

Fresh water habitats

Balmford et al. 2003Trends Ecol. Evol.

Vertebrate populations

Animal population declines

Estimation of threatened species

Estimation of threatened human languages

• 50 % of languages will extinct in the next 50 years

• A link with the loss of human knowledge, the loss of genetic resources, and the biodiversity erosion

BIODIVERSITY, RISKS,SECURITY OF HUMAN POPULATIONS

Target 2010 (CBD)

To achieve by 2010 a significant reduction of the current rate of biodiversity loss at the global, regional and national level as a contribution to poverty alleviation and to the benefit of all life on earth

Millenium Ecosystem Assessment

• 60% of ecosystems are degraded• source of conflicts• Struggle against poverty implies the

protection of the environment

ECONOMIC VALUES OF BIODIVERSITY

Biodiversity, sustainable development and economic values

RISK ASSESMENTRISK ANALYSIS FOR BIODIVERSITY

Sustainability as a Management Goal

Sustainability and other concepts such as biotic or community integrity may be very useful as guiding principles for management goals.

To do this, key questions need to be addressed:

What does sustainability or integrity mean for the particular ecosystem?

What must be protected to meet sustainable goals or system integrity?

Which ecological resources and processes are to be sustained and why?

How will we know we have achieved it?

BIODIVERSITY INDICATORS

Biodiversity Indicators

CDB UE Srategy French strategy

States and evolution of biodiversity

Threatens and pressures

Integrity of ecosystems

Goods and servicesSustainable uses

Access and benefits sharing

Transfers

Public opinion

ESTIMATION ANDPROJECTION OF EXTINCTION

(Thomas et al., 2004, Nature 427)

Global change and projection of extinctions

Log Area size

Log Species richnessSR = Area 0.25

PROJECTION OF AREA CHANGES

Modeling tools

Models based on processes• General principle

Simulation of a biological functioning in response to environment variation (from mathematical equation obtained by experimental results)

• AdvantagesHigh robustness High explanatory power

• InconvenientLong developmentNeed important biological data

(After Chuine)

débourrement maturationflowering

Sum of temperature from flowering

Phenoogical

models

Probability of presence

Reproductive success Survival

Probability of fruit maturation

Dommagesdue to

freezing

Damages to leaves

Damages to flowers

Phenologicalobservations

Adjusted parameters senescence

Survival toDry conditions

Survival to extreme temperature

Example of a model based on processesPHENOFIT

(After Chuine)

Chestnut - Castanea sativa

A1Fi Hadcm3 2080+2.6°C

B2 Hadcm3 2080+1.6°C

Actual observed distributionSimulated distribution Possible colonizationExtinction

Thuiller 2003 GCB

Poplar – Populus tremuloïdes

B2 ARPEGE2100+2.5°C

A2 ARPEGE2100+4.5°C

colonization

Probabililty of stable presenceProbability of presence

Morin & Chuine In prep

Probability of presence

Statistical models based on climate niche

• General principleGenesis of an area distribution of a species using statistical models (GLM, neural networks, etc..) based on links between presence/ absence and environmental variables

• AdvantagesRapid implementationEasy applied to all kind of species

• InconvenientLow robustness, difficult to evaluateLow explanatory power

(After Chuine)

Model of distribution

Probability

of

occurrence

Species distribution,Biome…

Degree-days of growthAvailability of waterTemperature of the coldest monthLand uses

BIOMOD = platform of modeling

- Unlimited number of species (spatial data presence/absence)

- 5 different statiscal models

- Unlimited scenarios of global changes (climate / land uses)

- Response curves, significant variables…

Thuiller 2003 Glob.Chang.Biol; Thuiller 2004 Glob.Chang.Biol

Example of a statistical modelBIOMOD

(After Chuine)

Biodiversity and global change

• Models based on the niche• 1998 species: 1350 plants, 383 birds, 157 mammals

and 108 reptiles/amphibians• 4 scenarios: A1, B1, A2, B2• Simulation in 2050 with HadCM3• Simulation in % lost species

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GLOBAL REGIONAL

A1Fi+2°C

Thuiller 2004 GCB

B1+1.1°C

A2+1.5°C

B2+1.1°C

(D’après Malcom)

Impacts of climate change on biodiversity and adaptive responses

Proportion of 14 models for biomes moves in response to climate change (each biome boundary should move at least of 1km/year in order to preserve its climatic niche)

Models show that in 19% of cases species should migrate at 1km per year (equal to post glacial re-colonisation) in order to attain a suitable area

PROJECTION FOR HEALTH

(after de la Rocque)

The blue tongue

• Orbivirus, Reoviridae

• 24 different strains

• Segmented RNA (recombinant)

• no cross-protection

• resistant virus

• never observed in the environment

Hematophagous Ceratopogonideas

• Culicoides imicola (Africa)• C. variipennis (North Am.)• C. insignis (North Am.)

• C. brevitarsis (Australia)

(after de la Rocque)

The blue tongue

CliniqueSérologiqueSuspectée

Atlas des maladies infectieuses des ruminants, 1991P.C. Lefèvre, IEMVT/CTA

The blue tongue

(1956-60)

Situation en 1998-99

1998

1999

1999

19991999

The blue tongue

Situation in 2000

The blue tongue

Situation in 2001

The blue tongue

58% des troupeaux

prév. cl.: 5%

2

2

22 9

92

9 4

216

2

4

The blue tongue

High temperaturesLow temperatures

Effects of abiotic factors on vectorial capacicity

• no virus replication under 15° (reversible)

Mortality rate Mortality rate

Infection rate

virogenesis

Date at firstinfective bite

Frequency of blood meal

Infection rate

virogenesis

Date at firstinfective bite

Frequency of blood meal "Understanding vector capacity

is the key to understanding disease dynamics" Mullens, 1995

observations

Confirmed presence

C. imicola. Log. abundance grey = 0.00-0.02, Light green = 0.03-0.78, Dark green = 0.95-3.63

RemoteSensingdataNDVI, LST, MIR, VPD / Analyses temporelles de Fourier

Baylis, Mellor, Wittmann, Rogers, 2001, The Veterinary Record

Models for projecting the presence of vector

Ln (n+1) = -94 + 0,323 LST + 19,7 NDVI

n : abundance of C. imicola

NDVI (Normalised difference vegetation index)

NDVI = (canal 2 – canal 1) / (canal 2 + canal 1)

LST (Land Surface temperature)

LST = canal 4 + 3,33 (canal 5 - canal 4)

NOAA, Captor AVHRR

Baylis, et al., 2001, The Veterinary Record de La Rocque et al. 2003.. Comparative Immunology, Microbiology and Infectious Diseases

Prediction of C. imicola – Portuguese and Corsican data (10 variables)

Scenario : increase of 2° C Prob. presence of imicola

0.75-1

0,5-0.75

0,3-0,5

Wittmann et al, 2001, Rev. Sci. Tech. Off. Int. Epiz

y = 0.5460*a + 0.6020*b – 0.4243*c – 15.78y = log (prob. Présence)a = minimum monthly temperaturesb = maximum monthly temperaturesc = number of months per year with mean temp. >12,5°

y = 0.5460*a + 0.6020*b – 0.4243*c – 15.78y = log (prob. Présence)a = minimum monthly temperaturesb = maximum monthly temperaturesc = number of months per year with mean temp. >12,5°

Déviations observées entre les températures annuellessurant les 150 dernières années ét la moyenne de la période 1961–1990

B. Purse et al., 2005. Nature (3): 171-181,

Changements de la temperature minimale annuelle entre les années 80 et 90 (séries temporelles, analyses de Fourier)

“For several reasons, statistical validation of the spatio-temporal correlation between changes in BTV incidence and climate changes was not sought”

Prob. presence of imicola

0.75-1

0,5-0.75

0,3-0,5New cases September 2006

How to manage the likely unpredictable ?

Thank you for yourattention