1,720,995 research outputs found
Spatiotemporal variation in abundance of key tundra species: from local heterogeneity to large-scale synchrony
Full text linkSummary of thesis:
From local heterogeneity to large-scale synchrony of wildlife abundance in the high Arctic.
The Arctic is a ‘hot-spot’ for climate change, and understanding its impacts on tundra ecosystems will help predict consequences on global biodiversity. In my PhD, I studied how climate determine variation in tundra wildlife abundance through time and at different spatial scales. Climate can synchronize the growth from distant populations, which can lead to large-scale extinctions under extreme climate events. My work focused on two key species in Svalbard: the wild Svalbard reindeer and the polar willow. I first tested different monitoring tools locally, for then to apply these methodologies across large-scales. During three summers, I collected polar willows and monitored reindeer with ‘distance sampling’ and total counts by sailing and hiking all around Svalbard. These reindeer monitoring methodologies were proven highly accurate. I also found that the annual ‘tree-ring’ growth of the tiny polar willow reliably traced vegetation production back in time. Reindeer were distributed according to vegetation productivity, and the total population size appeared twice as large as previously assumed, even though recovery from over-hunting a century ago is still ongoing. Across Svalbard, I found contrasting effects of summer versus winter climate warming. Warm summers increased plant growth in all sites, causing spatial synchrony in growth. Reindeer benefit from such increased plant production but suffer from warm winters, when rain-on-snow events encapsulate plants in thick ice-layers. Rain-on-snow thus partly explained spatial synchrony in reindeer abundance fluctuations, but varying strength of summer versus winter warming has resulted in locally contrasting reindeer population trends. Such spatial heterogeneity may counteract synchronizing effects of climate on abundance fluctuations across large areas, thereby avoiding mass extinctions. The polar willow was only influenced by rain-on-snow in coastal sites exposed to icing-events. However, since we are heading toward a rain-dominated Arctic, rain-on-snow may become a synchronizing agent of wildlife fluctuations across the food chain
Effects of Experimental Winter Warming on Trade-offs Between Growth and Reproduction in High Arctic shrubs
No full textArktis varmes fortere enn det globale gjennomsnittet, og frekvensen av ekstremvær om vinteren øker. Bakkeis og tine-fryse episoder er to mulige utfall av ekstreme varmeperioder på vinteren og vinterregn. Disse kan dekke vegetasjonen i bakkeis eller eksponere vegetasjonen for svært lave temperaturer grunnet smelting av det isolerende snødekket. Basert på et ‘common garden’ eksperiment i det høyarktiske Svalbard undersøkte jeg og sammenlignet påvirkninger av bakkeis og tine-fryse episoder på vegetative og reproduktive variabler i Salix polaris og Cassiope tetragona, samt tildeling av ressurser mellom disse variablene. I S. polaris testet jeg også responsen av tine-fryse episoder. Bakkeis dannet av vinterregn var simulert ved å dekke vegetasjonen med is, mens elektriske ovner var brukt for å simulere tine-fryse episoder. Resultatene mine viser at bakkeis øker lengden på årlig skuddvekst til en viss grad i forhold til kontrollplantene. Disse i motsetning gikk ned i vekst etter de ble transplantert til hagen. I tillegg gikk antall blomster ned i forbindelse med bakkeis, selv om is ikke påvirker en annen proxy på reproduksjon. I C. tetragona, forårsaket bakkeis en sterk nedgang i overlevelse av skudd, deriblant også unge skudd og forsøk på kompenserende vekst. I S. polaris økte lengden på årlig skuddvekst mer etter Tine-fryse episoder enn bakkeis. Antall blomster gikk også enda mer ned. Selv med disse innflytelsene på individuelle variabler, fant jeg ingen bevis på at bakkeis og tine-fryseperioder har endret tildelingen av ressurser mellom skuddvekst og blomsternummer i S. polaris eller mellom andel levende skudd og blomsternummer i C. tetragona. I henhold til disse eksperimentelle resultatene, kan det virke som om S. polaris vil bli mindre påvirket av en fremtid med mer vinterregn i forhold til C. tetragona. En grunn til denne forskjellen kan være deres ulike livshistorietrekk og vekstform. For eksempel gror S. polaris for det meste under moselaget, mens C. tetragona eksponerer større deler av biomassen sin over bakken, noe som gjør den mer utsatt for skade om vinteren. I S. polaris, tine-fryse episoder ser ut til å ha sterkere innvirkning enn bakkeis. Sannsynligvis utløser tining av-akklimatisering av skuddene, noe som gjør dem mindre beskyttet når frosten kommer tilbake. Disse resultatene gir en ny innsikt i vegetasjonsrespons til høyarktiske episoder av ekstrem vintervarming og indikerer at effekten av slike hendelser er knyttet til hvordan egenskapene til snødekket blir endret
Effects of Experimental Winter Warming on Trade-offs Between Growth and Reproduction in High Arctic shrubs
Full text linkArktis varmes fortere enn det globale gjennomsnittet, og frekvensen av ekstremvær om vinteren øker. Bakkeis og tine-fryse episoder er to mulige utfall av ekstreme varmeperioder på vinteren og vinterregn. Disse kan dekke vegetasjonen i bakkeis eller eksponere vegetasjonen for svært lave temperaturer grunnet smelting av det isolerende snødekket. Basert på et ‘common garden’ eksperiment i det høyarktiske Svalbard undersøkte jeg og sammenlignet påvirkninger av bakkeis og tine-fryse episoder på vegetative og reproduktive variabler i Salix polaris og Cassiope tetragona, samt tildeling av ressurser mellom disse variablene. I S. polaris testet jeg også responsen av tine-fryse episoder. Bakkeis dannet av vinterregn var simulert ved å dekke vegetasjonen med is, mens elektriske ovner var brukt for å simulere tine-fryse episoder. Resultatene mine viser at bakkeis øker lengden på årlig skuddvekst til en viss grad i forhold til kontrollplantene. Disse i motsetning gikk ned i vekst etter de ble transplantert til hagen. I tillegg gikk antall blomster ned i forbindelse med bakkeis, selv om is ikke påvirker en annen proxy på reproduksjon. I C. tetragona, forårsaket bakkeis en sterk nedgang i overlevelse av skudd, deriblant også unge skudd og forsøk på kompenserende vekst. I S. polaris økte lengden på årlig skuddvekst mer etter Tine-fryse episoder enn bakkeis. Antall blomster gikk også enda mer ned. Selv med disse innflytelsene på individuelle variabler, fant jeg ingen bevis på at bakkeis og tine-fryseperioder har endret tildelingen av ressurser mellom skuddvekst og blomsternummer i S. polaris eller mellom andel levende skudd og blomsternummer i C. tetragona. I henhold til disse eksperimentelle resultatene, kan det virke som om S. polaris vil bli mindre påvirket av en fremtid med mer vinterregn i forhold til C. tetragona. En grunn til denne forskjellen kan være deres ulike livshistorietrekk og vekstform. For eksempel gror S. polaris for det meste under moselaget, mens C. tetragona eksponerer større deler av biomassen sin over bakken, noe som gjør den mer utsatt for skade om vinteren. I S. polaris, tine-fryse episoder ser ut til å ha sterkere innvirkning enn bakkeis. Sannsynligvis utløser tining av-akklimatisering av skuddene, noe som gjør dem mindre beskyttet når frosten kommer tilbake. Disse resultatene gir en ny innsikt i vegetasjonsrespons til høyarktiske episoder av ekstrem vintervarming og indikerer at effekten av slike hendelser er knyttet til hvordan egenskapene til snødekket blir endret.The Arctic is warming faster than the global average, and the frequency of extreme weather events in winter accelerates. Basal icing (i.e., ice on the ground) and thaw-freeze events (i.e., thawing and subsequent freezing) are two possible outcomes of episodic extreme winter warming and rain-on-snow events. Warm spells and rain-on-snow may encapsulate vegetation in basal ice or expose the vegetation to freezing temperatures due to melting of the insulating snowpack. Based on a common garden experiment in the high Arctic Svalbard, I investigated and compared the impact of basal ice on vegetative and reproductive variables in two contrasting shrub species, Salix polaris and Cassiope tetragona, and the trade-offs between these variables. In S. polaris, I also assessed the effects of thaw-freezing. Simulated heavy rain-on-snow events encased vegetation plots in basal ice, while electrical heaters were used to simulate thaw-freeze events in other plots. My results show that basal ice slightly elongated shoot growth increment and decreased the number of flowers of S. polaris, compared to controls, though it did not affect shoot survival. In C. tetragona, basal ice caused a strong decrease in shoot survival, including the survival of newly initiated juvenile side-shoots. This masked the effect on shoot initiation and compensatory growth of damaged C. tetragona shoots. In comparison, the thaw-freeze treatment of S. polaris clearly elongated shoot growth increment and decreased number of flowers to a higher degree than basal ice. Despite the impact of treatment on specific traits, I found no evidence that treatment mediated trade-offs between vegetative growth and reproduction, i.e., shoot growth and flower numbers in S. polaris, and proportion of alive shoots and flower numbers in C. tetragona. According to these experimental results, S. polaris may be less impacted by current and future increase in icing due to rain on snow events than C. tetragona. This may be due to differences in habitat and snow insulation requirements, along with life contrasting history traits and growth forms. Furthermore, in S. polaris, thaw-freeze events seem to have stronger impacts than icing, possibly by triggering de-acclimatization in the buds, leaving the buds less protected when frost returns. These experimental results add novel and nuanced insights into the variation in vegetation responses to high Arctic winter warming events and indicate that the effects of such events will depend on how they change the snow-pack properties.
Spatiotemporal variation in abundance of key tundra species: from local heterogeneity to large-scale synchrony
No full textSummary of thesis:
From local heterogeneity to large-scale synchrony of wildlife abundance in the high Arctic.
The Arctic is a ‘hot-spot’ for climate change, and understanding its impacts on tundra ecosystems will help predict consequences on global biodiversity. In my PhD, I studied how climate determine variation in tundra wildlife abundance through time and at different spatial scales. Climate can synchronize the growth from distant populations, which can lead to large-scale extinctions under extreme climate events. My work focused on two key species in Svalbard: the wild Svalbard reindeer and the polar willow. I first tested different monitoring tools locally, for then to apply these methodologies across large-scales. During three summers, I collected polar willows and monitored reindeer with ‘distance sampling’ and total counts by sailing and hiking all around Svalbard. These reindeer monitoring methodologies were proven highly accurate. I also found that the annual ‘tree-ring’ growth of the tiny polar willow reliably traced vegetation production back in time. Reindeer were distributed according to vegetation productivity, and the total population size appeared twice as large as previously assumed, even though recovery from over-hunting a century ago is still ongoing. Across Svalbard, I found contrasting effects of summer versus winter climate warming. Warm summers increased plant growth in all sites, causing spatial synchrony in growth. Reindeer benefit from such increased plant production but suffer from warm winters, when rain-on-snow events encapsulate plants in thick ice-layers. Rain-on-snow thus partly explained spatial synchrony in reindeer abundance fluctuations, but varying strength of summer versus winter warming has resulted in locally contrasting reindeer population trends. Such spatial heterogeneity may counteract synchronizing effects of climate on abundance fluctuations across large areas, thereby avoiding mass extinctions. The polar willow was only influenced by rain-on-snow in coastal sites exposed to icing-events. However, since we are heading toward a rain-dominated Arctic, rain-on-snow may become a synchronizing agent of wildlife fluctuations across the food chain
Ungulate population monitoring in a tundra landscape: evaluating total counts and distance sampling accuracy
Full text linkResearchers and managers are constantly working towards decreasing monitoring uncertainties in order to improve inferences in population ecology. The solitary and sedentary Svalbard reindeer (Rangifer tarandus platyrhynchus) inhabit a high-Arctic tundra landscape highly suitable to compare accuracy (precision and bias) of population monitoring methods in the wild. The flexible Bayesian state-space model enabled me to assess uncertainties in estimates of the abundance of four reindeer sub-population time-series. In this environment, Total population Counts (TC) were more precise than Distance Sampling (DS), especially when conducted multiple times during a field season (e.g. Sarsøyra, summer 2013: DS Coefficient of Variation (CV)= 0.11, only one TC CV= 0.06; four repeated TC CV= 0.03). In addition, TC’s bias was assumed low once integrated in the state-space model and related to re-sightings of marked animals. Conducting DS alone, without TC as background information, would have estimated wrong reindeer population size because the detection function was sensitive to sample size. However, the similarity in landscape and methodology across the two neighboring DS study sites enabled their observations (n= 143) to be pooled, resulting in more plausible estimates, yet slightly higher than those found through TC. DS is used worldwide and this study illustrates fundamental issues around the minimum sample sizes recommended in literature (n>80) and that the number or length of transects must be sufficient to represent habitat structure (in this particular case the proportion of vegetation). Furthermore, combining multiple sources of available data in a common modeling framework, even with wide standard deviation such as DS, resulted in more precise estimates
Spatiotemporal patterns of plant growth in a warming high Arctic: insights from dendrochronology of Salix polaris
Full text linkClimate change is most pronounced at high latitudes, where plant and animal populations are often strongly regulated by environmental drivers. Theory suggests that if these environmental drivers are synchronized over large distances, this spatial synchrony should also be reflected in the population synchrony of wildlife.
Here, I used dendrochronological tools to analyse for climate drivers and their role in the synchronization of fluctuations in Salix polaris ring-width growth across large distances in high-Arctic Svalbard.
I found that while summer temperature had an overall strong positive effect on S. polaris tree-ring growth across Svalbard, growth responded strongly negatively to rain-on-snow events at some wet coastal sites. Shrub growth across Svalbard was correlated over large distances, and summer temperature contributed significantly to the observed synchrony. There was a marked decline in the spatial synchrony in plant growth since the late 1990s, which was partly explained by the reduced spatial synchrony in summer temperatures occurring in parallel with the overall warming trend. These findings have fundamental implications for understanding ecosystems in space and time
Spatiotemporal patterns of plant growth in a warming high Arctic: insights from dendrochronology of Salix polaris
No full textClimate change is most pronounced at high latitudes, where plant and animal populations are often strongly regulated by environmental drivers. Theory suggests that if these environmental drivers are synchronized over large distances, this spatial synchrony should also be reflected in the population synchrony of wildlife.
Here, I used dendrochronological tools to analyse for climate drivers and their role in the synchronization of fluctuations in Salix polaris ring-width growth across large distances in high-Arctic Svalbard.
I found that while summer temperature had an overall strong positive effect on S. polaris tree-ring growth across Svalbard, growth responded strongly negatively to rain-on-snow events at some wet coastal sites. Shrub growth across Svalbard was correlated over large distances, and summer temperature contributed significantly to the observed synchrony. There was a marked decline in the spatial synchrony in plant growth since the late 1990s, which was partly explained by the reduced spatial synchrony in summer temperatures occurring in parallel with the overall warming trend. These findings have fundamental implications for understanding ecosystems in space and time
Winter gardening at 78° North: measuring extreme warm spell impacts on above- and below-ground biomass of vascular plant communities
Full text linkGlobal oppvarming gjer dei arktiske vintrane varmare og våtare, noko som fører til ei auke i ekstreme vêrfenomen på vinteren. Døme på slike vêr-hendingar er regn som frys på og dannar eit islag som «kapslar inn» tundraen (is-dannande vinterregn), samt mildvêr som smeltar snøen og tiner eit jordlag før det blir kaldt og frys på att (tine-fryse-hendingar). I dei arktiske vegetasjonssamfunna finn ein mest biomasse under bakken. Den er ikkje berre viktig for dynamikken i vegetasjonssamfunnet, men òg for den globale karbonsyklusen. Likevel er det hovudsakleg biomassen over bakken som har vorte studert i Arktis, ofte ved hjelp av ulike estimeringsmetodar (t.d. normalisert differanse-vegetasjonsindeks (NDVI) og «point intercept»-metoden (PIM)). Vi manglar grunnleggjande kunnskap om korleis desse estimeringsmetodane reflekterer biomassen under bakken i arktiske vegetasjonssamfunn, samt om korleis biomassen under bakken reagerer på ei auke i ekstreme vêr-hendingar på vinteren. For å vere med å tette desse kunnskapshola nyttar denne oppgåva seg av resultata frå eit fleirårig eksperiment utført på Svalbard der planter frå to ulike vegetasjonssamfunn vart utsett for eksperimentelle ekstreme vêrfenomen (is-dannande vinterregn og tine-fryse-hendingar) tre vintre på rad, før all biomassen vart hausta. Resultata viser at NDVI og PIM korrelerte positivt med kvarandre (r = 0.74 [0.59 – 0.84]). På samfunnsnivå reflekterte NDVI biomassen over bakken, biomassen under bakken og total biomasse (r = 0.78 [0.65 – 0.87], r = 0.70 [0.53 – 0.82] og r = 0.74 [0.58 – 0.84], i same rekkjefølgje) noko betre enn PIM (r = 0.73 [0.57 – 0.83], r = 0.55 [0.33 – 0.71] og r = 0.59 [0.39 – 0.74], i same rekkjefølgje), medan PIM reflekterte biomassen til den enkelte art betre enn NDVI. I det våtaste vegetasjonssamfunnet vart det relativt sett meir biomasse under bakken etter tine-fryse-hendingar, medan dette forholdet endra seg ikkje i det tørraste vegetasjonssamfunnet. Dei enkelte artane responderte, stort sett, på same måte som samfunnet, til trass for at dei hadde ulike måtar å endre forholdstalet mellom biomasse under og over bakken på. Desse resultata gir ny innsikt i korleis ekstreme vêr-hendingar påverkar biomasse under og over bakken, og syner samstundes at både NDVI og PIM er nyttige verkty for å undersøkje dette vidare.Global warming is most pronounced in the high Arctic. This is likely to impact tundra vegetation communities, in which most of the biomass is located below ground. The below-ground biomass is important for both the dynamics of the vegetation communities themselves as well as for the global carbon cycle. However, it is often only the above-ground biomass, or more typically proxies of it, that is monitored. We often lack basic knowledge about how these proxies relate to each other and to the below-ground biomass, as well as how the below- versus above-ground biomass ratios may respond to environmental stress. This master thesis utilizes data from a vegetation transplant experiment conducted at Svalbard to contribute to filling these knowledge gaps. The experiment simulated extreme winter weather events in two different vegetation communities over three winters, following which all vascular plant biomass was harvested. Two types of extreme events were simulated: rain-on-snow events, causing basal icing, and thaw-freeze events, exposing the soil and vegetation to above-zero and subsequent freezing temperatures. The results showed that two above-ground biomass proxies, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and the point intercept method (PIM) correlated positively with each other (r = 0.74 [0.59 – 0.84]). Both the above-ground biomass, below-ground biomass and total biomass was reflected better by NDVI (r = 0.78 [0.65 – 0.87], r = 0.70 [0.53 – 0.82] and r = 0.74 [0.58 – 0.84], respectively) than by PIM (r = 0.73 [0.57 – 0.83], r = 0.55 [0.33 – 0.71] and r = 0.59 [0.39 – 0.74], respectively) at the community level. At the species level, PIM reflected above- and below-ground biomass better than NDVI. While basal icing had only small effects on vegetation, the community-level ratio between below- and above-ground biomass increased under winter thaw-freeze treatment in the wet community. This was not the case in the drier community. Interestingly, although the species-level biomass ratios largely responded similarly, the treatments affected the above- and below-ground biomass of the species differently, which could be related to their growth forms. These results provide novel insight into the effects of extreme winter climatic events on above- and below-ground biomass and suggest that both NDVI (vascular plant community-level) and PIM (species level) are useful proxies to study impacts of environmental change on low-productive high-arctic tundra vegetation
Winter gardening at 78° North: measuring extreme warm spell impacts on above- and below-ground biomass of vascular plant communities
No full textGlobal oppvarming gjer dei arktiske vintrane varmare og våtare, noko som fører til ei auke i ekstreme vêrfenomen på vinteren. Døme på slike vêr-hendingar er regn som frys på og dannar eit islag som «kapslar inn» tundraen (is-dannande vinterregn), samt mildvêr som smeltar snøen og tiner eit jordlag før det blir kaldt og frys på att (tine-fryse-hendingar). I dei arktiske vegetasjonssamfunna finn ein mest biomasse under bakken. Den er ikkje berre viktig for dynamikken i vegetasjonssamfunnet, men òg for den globale karbonsyklusen. Likevel er det hovudsakleg biomassen over bakken som har vorte studert i Arktis, ofte ved hjelp av ulike estimeringsmetodar (t.d. normalisert differanse-vegetasjonsindeks (NDVI) og «point intercept»-metoden (PIM)). Vi manglar grunnleggjande kunnskap om korleis desse estimeringsmetodane reflekterer biomassen under bakken i arktiske vegetasjonssamfunn, samt om korleis biomassen under bakken reagerer på ei auke i ekstreme vêr-hendingar på vinteren. For å vere med å tette desse kunnskapshola nyttar denne oppgåva seg av resultata frå eit fleirårig eksperiment utført på Svalbard der planter frå to ulike vegetasjonssamfunn vart utsett for eksperimentelle ekstreme vêrfenomen (is-dannande vinterregn og tine-fryse-hendingar) tre vintre på rad, før all biomassen vart hausta. Resultata viser at NDVI og PIM korrelerte positivt med kvarandre (r = 0.74 [0.59 – 0.84]). På samfunnsnivå reflekterte NDVI biomassen over bakken, biomassen under bakken og total biomasse (r = 0.78 [0.65 – 0.87], r = 0.70 [0.53 – 0.82] og r = 0.74 [0.58 – 0.84], i same rekkjefølgje) noko betre enn PIM (r = 0.73 [0.57 – 0.83], r = 0.55 [0.33 – 0.71] og r = 0.59 [0.39 – 0.74], i same rekkjefølgje), medan PIM reflekterte biomassen til den enkelte art betre enn NDVI. I det våtaste vegetasjonssamfunnet vart det relativt sett meir biomasse under bakken etter tine-fryse-hendingar, medan dette forholdet endra seg ikkje i det tørraste vegetasjonssamfunnet. Dei enkelte artane responderte, stort sett, på same måte som samfunnet, til trass for at dei hadde ulike måtar å endre forholdstalet mellom biomasse under og over bakken på. Desse resultata gir ny innsikt i korleis ekstreme vêr-hendingar påverkar biomasse under og over bakken, og syner samstundes at både NDVI og PIM er nyttige verkty for å undersøkje dette vidare
- …
