Applications of circuit theory and graph theory on ecological connectivity in dynamically changing landscapes

Abstract

The ongoing changes on the land and the seascape result to major challenge for the persistence of planet’s biodiversity. To ensure species persistence under these global changes, conservation and management actions are urgently needed. Yet, as many species move to meet their biological needs, it is important to maintain the connections among the available habitat patches network. Ecological connectivity describes the extent to which landscape/seascape affects the species’ dispersal, shaping their movement patterns and thus, their ability to move through space to meet their biological needs. In this field of study, important habitat patches are identified, that are either better connected to the others, or aid the movement within the patch network, acting as stepping stones. The aim of the present thesis was to contribute to the ongoing scientific field of ecological connectivity. Building upon the methodologies of circuit theory and graph theory, new methodological approaches have been created, incorporating models that evaluate landscape/seascape opposition to movement and project potential movement corridors. New indices were developed, for identifying important patches for connectivity and evaluating the overall habitat network coherence. These methods developed and tested here can be applied on a plethora of species on different spatial scales. The first objective of the thesis was to evaluate landscape connectivity in southern Balkan Peninsula for four mammal species subjected to limited knowledge on their movement patterns. The next objective of the thesis was to create new graph theory indices that could evaluate ecological connectivity networks from new perspectives, incorporating information on patches spatial structure, as well as biological information related to the studied species’ needs. The third objective of this thesis was to evaluate the effects of climate change on ecological connectivity in the ocean realm. Therefore, it would be important to identify trajectories between contemporary habitat sites with specific climatic conditions and sites that will have these conditions in the future (i.e., thermal analogs). The final objective of the thesis was to develop a novel modeling framework that allowed to link species behavioral responses to environmental features under a mechanistic approach. This framework was applied to assess the association of sea turtles’ movement with oceanographic currents based on recorded data on a small spatial scale. Concluding, in this thesis, a set of tools and methodological approaches for the assessment on ecological connectivity were developed. These tools and methodologies were tested on a plethora of species, providing insightful information on their connectivity status, which can be used to define conservation management priorities. All these tool and methodologies are flexible and adaptable, as they can be applied for different species, on various spatial scales with the proper parametrization, providing the output for effective conservation plans targeting both the terrestrial and the ocean realm.

Οι συνεχιζόμενες αλλαγές στη στεριά και στο θαλάσσιο τοπίο αποτελούν σημαντική πρόκληση για τη διατήρηση της βιοποικιλότητας του πλανήτη. Για να εξασφαλιστεί η διατήρηση των ειδών κάτω από αυτές τις παγκόσμιες αλλαγές, απαιτούνται επειγόντως δράσεις διατήρησης και διαχείρισης. Ωστόσο, δεδομένου ότι πολλά είδη μετακινούνται για να καλύψουν τις βιολογικές τους ανάγκες, εξακολουθεί να υπάρχει η ανάγκη διατήρησης των συνδέσεων μεταξύ του διαθέσιμου δικτύου τμημάτων ενδιαιτήματος. Η οικολογική συνδεσιμότητα περιγράφει τον βαθμό στον οποίο το χερσαίο/θαλασσινό τοπίο επηρεάζει τη μετακίνηση των ειδών, διαμορφώνοντας τα μοτίβα κινήσεών τους και συνεπώς, την ικανότητά τους να κινούνται στο τοπίο για να καλύψουν τις βιολογικές τους ανάγκες. Σε αυτό το πεδίο μελέτης, εντοπίζονται σημαντικά τμήματα ενδιαιτήματος, που είτε συνδέονται καλύτερα με τα άλλα, είτε βοηθούν την κίνηση εντός του δικτύου τμημάτων ενδιαιτήματος, λειτουργώντας ως διαμεσολαβητές. Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν να συμβάλει στο εξελισσόμενο επιστημονικό πεδίο της οικολογικής συνδεσιμότητας. Με βάση τις μεθόδους της θεωρίας κυκλωμάτων και της θεωρίας γράφων, έχουν δημιουργηθεί νέες μεθοδολογικές προσεγγίσεις, που ενσωματώνουν μοντέλα που αξιολογούν την αντίθεση του χερσαίου/θαλάσσιου τοπίου στην κίνηση και προβάλλουν πιθανούς διαδρόμους κίνησης. Αναπτύχθηκαν νέοι δείκτες για τον εντοπισμό σημαντικών τμημάτων συνδεσιμότητας και την αξιολόγηση της συνολικής συνοχής του δικτύου τμημάτων ενδιαιτήματος. Αυτές οι μέθοδοι που αναπτύχθηκαν και δοκιμάστηκαν εδώ μπορούν να εφαρμοστούν σε μια πληθώρα ειδών σε διαφορετικές χωρικές κλίμακες. Ο πρώτος στόχος της διατριβής ήταν να αξιολογήσει τη συνδεσιμότητα του τοπίου στη νότια Βαλκανική Χερσόνησο για τέσσερα θηλαστικά, όπου υπάρχει περιορισμένη γνώση για τα μοτίβα κίνησής τους. Ο επόμενος στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η δημιουργία νέων δεικτών θεωρίας γραφημάτων που θα μπορούσαν να αξιολογήσουν τα δίκτυα οικολογικής συνδεσιμότητας από νέες προοπτικές, ενσωματώνοντας πληροφορίες για τη χωρική δομή των κατατμημάτων, καθώς και βιολογικές πληροφορίες που σχετίζονται με τις ανάγκες των ειδών που μελετώνται. Ο τρίτος στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν να αξιολογήσει τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής στην οικολογική συνδεσιμότητα στη θάλασσα. Ως εκ τούτου, θα ήταν σημαντικό να εντοπιστούν οι τροχιές μεταξύ σύγχρονων περιοχών με συγκεκριμένες κλιματικές συνθήκες και τοποθεσιών που θα έχουν αυτές τις συνθήκες στο μέλλον (δηλαδή, θερμικά ανάλογα). Ο τελευταίος στόχος της διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη ενός νέου πλαισίου μοντελοποίηση που επέτρεπε τη σύνδεση των αποκρίσεων των ειδών με τα περιβαλλοντικά χαρακτηριστικά υπό μια μηχανιστική προσέγγιση. Αυτό το πλαίσιο εφαρμόστηκε για την αξιολόγηση της συσχέτισης της κίνησης των θαλάσσιων χελωνών με τα ωκεανογραφικά ρεύματα με βάση καταγεγραμμένα δεδομένα σε μικρή χωρική κλίμακα. Συνοψίζοντας, σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, αναπτύχθηκε ένα σύνολο εργαλείων και μεθοδολογικών προσεγγίσεων για την αξιολόγηση της οικολογικής συνδεσιμότητας. Αυτά τα εργαλεία και οι μεθοδολογίες δοκιμάστηκαν σε μια πληθώρα ειδών, παρέχοντας διορατικές πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση συνδεσιμότητας τους, οι οποίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον καθορισμό των προτεραιοτήτων διαχείρισης της διατήρησης. Όλα αυτά τα εργαλεία και οι μεθοδολογίες είναι ευέλικτα και προσαρμόσιμα, καθώς μπορούν να εφαρμοστούν για διαφορετικά είδη, σε διάφορες χωρικές κλίμακες με την κατάλληλη παραμετροποίηση, παρέχοντας τα ευρήματα για αποτελεσματικά σχέδια διατήρησης που στοχεύουν τόσο στο χερσαίο όσο και στο ωκεάνιο βασίλειο.