How local-scale processes build up the large-scale response of butterflies to global changes: Integrative analysis across monitoring schemes
Abstract
Long-term, standardized monitoring programs are key to assessing the state of biodiversity. They enable the impacts of environmental change on population abundance to be quantified and provide evidence of the status of species and ecosystems against policy targets. Monitoring butterflies is one of the earliest examples of citizen science and most programs are based on the protocol developed for the original Butterfly Monitoring Schemes (BMS) in the UK. Today, standardized monitoring programs are taking place in more than 22 countries across Europe and many more around the world. In the FRB-CESAB and EDF project LOLA-BMS, by promoting productive collaborations and triggering the development of innovative approaches, a team of 15 experts including ecologists, statisticians and modellers, leveraged information contained in these unique data sets. The projects’s aim was twofold: to assess butterfly responses to global climate change and examine how local processes translate into large patterns, and to build an infrastructure to facilitate collaboration and exchange between monitoring schemes. This enables new questions to be addressed beyond the limits of established borders and improves capacity that will benefit both established and developing schemes. This document summarizes in a few pages the group’s context and objectives, the methods and approaches used, the main findings, as well as the impact for science, society, and both public and private decision-making. _____________________________________________________ Les programmes de suivi standardisés sur le long terme sont essentiels pour évaluer l’état de la biodiversité. Ils permettent en effet de quantifier l’impact des changements environnementaux sur l’abondance des populations et d’évaluer les conséquences de certaines décisions politiques de gestion des statuts des espèces et des écosystèmes. Le suivi des papillons est un exemple récent de sciences citoyennes. Les programmes de suivi se fondent majoritairement sur le protocole “Butterfly Monitoring Schemes” (BMS), développé au Royaume-Uni. De nos jours, le suivi standardisé de papillons est étendu à 22 pays en Europe, et bien davantage dans le monde. En favorisant la mise en place de collaborations productives et le développement d’approches innovantes, le projet FRB-Cesab Lola-BMS co-financé par EDF, constitué d’une équipe de 15 experts incluant écologistes, statisticiens et modélisateurs, a permis d’exploiter efficacement les informations issues de ces bases de données dans un objectif double : la compréhension des réponses des papillons aux changements climatiques et la manière dont les processus locaux se traduisent le long de larges gradients, la mise en place d’une infrastructure qui faciliterait la collaboration et les échanges entre les différentes méthodes de suivi. Elle permet d’aborder de nouvelles problématiques au-delà des limites initialement établies, et d’améliorer les performances des méthodes de suivi actuelles et en cours de développement. Ce document synthétise en quelques pages le contexte et les objectifs du groupe, les méthodes et approches utilisées, les principales conclusions ainsi que l'impact pour la science, la société, la décision publique et privée.
Full text
Project summary 1 CESAB CENTRE FOR THE SYNTHESIS AND ANALYSIS OF BIODIVERSITY LOLA BMS How local-scale processes build up the large-scale response of butterflies to global changes: Integrative analysis across monitoring schemes Principal investigators: Romain JULLIARD, MNHN (FR) / Guy PE’ER, University of Aegean (DE) Postdoc: Reto SCHMUCKI, MNHN (FR) Start and finish: 2013-2016 Co-funding organization: Long-term, standardized monitoring programs are key to assessing the state of biodiversity. They enable the impacts of environmental change on population abundance to be quantified and provide evidence of the status of species and ecosystems against policy targets.
2 Context and objectives Monitoring butterflies is one of the earliest examples of citizen science and most programs are based on the protocol developed for the original Butterfly Monitoring Schemes (BMS) in the UK. Today, standardized monitoring programs are taking place in more than 22 countries across Europe and many more around the world. Until recently, most of these data were essentially used to provide calculation for national trends and some parallel studies conducted at larger scales, but till now, little has been known about how these local changes affect regional patterns, and how they are organized across scales and along broad gradients. In the LOLA-BMS project, by promoting productive collaborations and triggering the development of innovative approaches, a team of 15 experts including ecologists, statisticians and modellers, leveraged information contained in these unique data sets. Our aim was twofold, first to assess butterfly responses to global climate change and examine how local processes translate into large patterns, and second to build an infrastructure to facilitate collaboration and exchange between monitoring schemes. The latter will enable new questions to be addressed beyond the limits of established borders and improve capacity that will benefit both established and developing schemes. Methods and approaches used for the project We first adapted a recently developed two-stage modelling approach to account for seasonal patterns in butterfly count data by using data across a range of BMS. By this means we have been able to compute standardized abundance indices and perform rigorous trend analysis at multiple scales. These locally calculated trends were then analysed to examine patterns in species response to change in climate, land use, agricultural intensity and to assess some early outcomes of conservation efforts. The impact of these drivers on species trends was analysed along a broad latitudinal gradient from Spain to Finland. Principal conclusions The improved and standardized method for calculating annual abundance index is capable of producing significantly less biased and more accurate estimates of butterfly abundance than that achieved by other methods. The method is particularly powerful when used with combined data sets, and most beneficial for sites where information is relatively limited. Our analyses show that a substantial number of butterfly species have expanded their distribution range northward. When assessing the effect of climate change on local populations, we found significant difference among species’ response, including some evidence of local adaptation in species response to aridity. Overall, species thriving in regions with low aridity are more sensitive to annual drought events than species found in regions with a greater level of aridity, which, in Europe, are the warmer regions. When considered together, however, the effect of land use change on butterfly population exceeded the effect of climate change. The impact of habitat loss was most detrimental to species associated with non-forested habitats. While the overall impact of the Natura 2000 designation, one of the most important efforts to protect biodiversity across Europe, is positive for a large proportion of butterfly species, a significant proportion of species thriving in open habitats (semi-natural grasslands perhaps with up to 30% tree cover) had lower abundance in wellprotected regions under the Natura 2000 designation. This pattern contrasts
3 with that observed for woodland species which are considerably more likely to be positively affected by Natura 2000 designation. Anticipated (or actual) impact of these results for science, society, and public and private decision making Global climate change is affecting the distribution and abundance of butterflies across Europe, with many species showing a northward shift in their distribution. Overlaying this result is the significant local and regional decline in many species as a result of land use and habitat change due to human activity. Species associated with non-forested areas (e.g. grasslands) show the most significant decline. Although the effect of climate is less strong than the effect of habitat loss, evidence of the effect of climate change is still clear as populations found at the warmer edge of their climatic niche have greater decline then those found in relatively cooler regions. The effect of climate change on species distribution and phenology (timing of life events) has considerable significance for local species assemblages with potentially striking effect on crucial processes (e.g. species interactions). This affects the contribution of the species to ecosystem function and services. Biodiversity protection across Europe relies on the extensive network of sites under the Natura 2000 designation, and while our results show evidence that there is an overall positive effect on butterfly and bird species of these protected areas, the positive impact of the Natura 2000 designation on butterflies’ abundance is biased toward species associated with forested habitats. This highlights the importance of establishing management plans that will meet the full range of habitat requirements of butterfly species. This project clearly shows the importance of monitoring biodiversity to measure and assess its change in space and over time. Such understanding is particularly important, considering the continuing changes we will be facing over the next decades. PARTICIPANTS : L. RIES,University of Maryland (USA) / C. van SWAAY, Dutch Butterfly Conservation (NL) / A. van STRIEN, Netherlands Statistics (NL) / D. ROY, Centre for Ecology & Hydrology (UK) / J. THOMAS, University of Oxford (UK) / J. SETTELE, UFZ (DE) / E. KUHN, UFZ (DE) / J. HELIOLA, Finnish Envir. Inst. (FI) / M. KUUSSAARI, Finnish Envir. Inst. (FI) / C. STEFANESCU, Museu Granollers-Ciències Naturals (ES) / R. SCHWARTZ-TZACHOR, Ramat Hanadiv Nature Park (IS) / T. H. OLIVER, Centre for Ecology & Hydrology (UK) / M. MUSCHE, UFZ (DE) / J. CARNICER, CREAF (ES) / O. CHEIGEN, UFZ (DE).
Fiche résultat 1 CESAB CENTRE DE SYNTHÈSE ET D’ANALYSE SUR LA BIODIVERSITÉ LOLA-BMS Comment les processus à l’échelle local impactent-ils la réponse des papillons aux changements globaux à une échelle plus globale ? Porteurs du projet : Romain JULLIARD, MNHN (FR) / Guy PE’ER, University of Aegean (DE) Postdoctorant : Reto SCHMUCKI, MNHN (FR) Début et fin du projet : 2013-2016 Co-financeur du projet : Les programmes de suivi standardisés sur le long terme sont essentiels pour évaluer l’état de la biodiversité. Ils permettent en effet de quantifier l’impact des changements environnementaux sur l’abondance des populations et d’évaluer les conséquences de certaines décisions politiques de gestion des statuts des espèces et des écosystèmes.
2 Contexte et objectifs Le suivi des papillons est un exemple récent de sciences citoyennes. Les programmes de suivi se fondent majoritairement sur le protocole « Butterfly Monitoring Schemes » (BMS), développé au Royaume-Uni. De nos jours, le suivi standardisé de papillons est étendu à 22 pays en Europe, et bien davantage dans le monde. Les données issues de ces suivis étaient jusqu’à présent utilisées pour recueillir des informations principalement à l’échelle nationale ; quelques études étaient également conduites sur des échelles plus larges. Néanmoins, les changements locaux et leurs impacts au niveau régional et sur de larges gradients sont peu connus. En favorisant la mise en place de collaborations productives et le développement d’approches innovantes, le projet Lola-BMS, constitué d’une équipe de 15 experts incluant écologistes, statisticiens et modélisateurs, a permis d’exploiter efficacement les informations issues de ces bases de données dans un objectif double : • La compréhension les réponses des papillons aux changements climatiques et la manière dont les processus locaux se traduisent le long de larges gradients. • La mise en place une infrastructure qui faciliterait la collaboration et les échanges entre les différentes méthodes de suivi. Elle permettrait d’aborder de nouvelles problématiques au-delà des limites initialement établies, et d’améliorer les performances des méthodes de suivi actuelles et en cours de développement. Méthode et approches utilisées pour le projet Pour ce faire, une approche de modélisation en deux étapes récemment développée a été réadaptée afin de prendre en compte les tendances saisonnières d’abondance des papillons, en utilisant les informations issues de bases de données BMS. Ces données ont permis d’étudier les réponses des espèces aux changements climatiques, d’utilisation des sols et d’agriculture. Elles ont également permis d’évaluer les premiers résultats des efforts de conservation mis en place. L’impact de ces différents paramètres sur les espèces de papillon a été analysé le long d’un large gradient latitudinal, de l’Espagne à la Finlande. Principales conclusions Les méthodes améliorées et standardisées de calcul d’index d’abondance ont permis de produire des données plus fiables et moins sujettes aux biais que celles obtenues avec d’autres méthodes. Elles sont particulièrement puissantes grâce à la combinaison des bases de données et bénéfiques pour les sites où les informations sont relativement limitées. Les analyses ont montré qu’un grand nombre d’espèces de papillons ont étendu leur aire de répartition vers le Nord. En estimant l’effet du changement climatique sur les populations locales, d’importantes différences entre les espèces ont pu être relevées, et une adaptation locale des espèces à la chaleur. Les espèces vivant dans des régions peu chaudes sont davantages sensibles aux phénomènes climatiques de sécheresse. L’effet de changement d’utilisation des sols sur la population de papillons surpasse les effets du changement climatique. La perte d’habitat eu un effet particulièrement délétère sur les espèces vivant dans des milieux non forestiers. Natura 2000 est un des principaux dispositifs de protection de la biodiversité en Europe ; si la création de zones Natura 2000 a eu un effet globalement positif chez une grande partie des
3 papillons, une proportion significative d’espèces issues de milieux ouverts (espaces enherbés contenant moins de 30% de couverture forestière) sont néanmoins moins abondantes dans les régions protégées par la désignation. Ces résultats contrastent avec ceux observés chez les espèces forestières qui sont quant-à-elles plus susceptibles d’être positivement affectées par les dispositions Natura 2000. Impact pour la science et la société, la décision publique et privée Le changement climatique affecte la distribution et l’abondance des papillons en Europe ; un grand nombre d’espèces décalent leur zone de distribution vers le Nord. Un autre résultat majeur est le déclin local et régional de nombreuses espèces en réponse à l’augmentation de l’utilisation des sols et aux changements d’habitats induits par l’activité humaine. Les espèces issues de milieux ouverts présentent le déclin le plus marqué. Si les effets du changement climatique sont moins importants que ceux de la perte d’habitat, les résultats montrent néanmoins clairement que les populations issues des zones les plus chaudes au sein de leur niche écologique subissent un déclin plus important que celles issues de régions plus fraiches. Les effets du changement climatique sur la distribution et la phénologie (rythme de vie) des espèces impactent significativement les assemblages locaux d’espèces, ce qui peut avoir pour effet d’influencer certains processus essentiels comme les interactions entre espèces. Cela affecte également la contribution des espèces aux fonctions et services écosystémiques. La protection de la biodiversité en Europe se repose en grande partie sur le réseau de sites désignés Natura 2000 et bien que les résultats démontrent un effet moyen positif sur les espèces de papillons et d’oiseaux dans ces zones, l’impact positif des zones Natura 2000 sur l’abondance des papillons ne se vérifie pas chez les espèces associées à des habitats non forestiers. Cela montre l’importance de la mise en place de plans de gestion qui prennent en compte les besoins en termes d’habitats de l’ensemble des espèces de papillons. Ce projet montre clairement l’importance du suivi de biodiversité pour mesurer et estimer son évolution dans l’espace et dans le temps. Ces connaissances sont particulièrement importantes en regard des changements auxquels nous risquons d’être confrontés au cours des prochaines décennies. PARTICIPANTS : L. RIES,University of Maryland (USA) / C. van SWAAY, Dutch Butterfly Conservation (NL) / A. van STRIEN, Netherlands Statistics (NL) / D. ROY, Centre for Ecology & Hydrology (UK) / J. THOMAS, University of Oxford (UK) / J. SETTELE, UFZ (DE) / E. KUHN, UFZ (DE) / J. HELIOLA, Finnish Envir. Inst. (FI) / M. KUUSSAARI, Finnish Envir. Inst. (FI) / C. STEFANESCU, Museu Granollers-Ciències Naturals (ES) / R. SCHWARTZ-TZACHOR, Ramat Hanadiv Nature Park (IS) / T. H. OLIVER, Centre for Ecology & Hydrology (UK) / M. MUSCHE, UFZ (DE) / J. CARNICER, CREAF (ES) / O. CHEIGEN, UFZ (DE).