The spatial modelling of high-latitude plant richness and refugia in a changing environment

Arctic-alpine regions are facing notable climatic changes. Improved understanding is needed of how these changes cascade into species distributions and what they might mean for the Arctic-alpine realm. These high-latitudes are expected to be susceptible to change. This vulnerability highlights the importance of identifying drivers of Arctic-alpine species and the landscape features that support their persistence. This thesis examines the determinants of present-day refugia; investigates drivers of plant richness and how projected hotspots coincide with conservation areas; forecasts refugia for species persistence and their connection to topo-geological features; and predicts forthcoming changes in species distributions and sensitivity, and whether these are affected by biogeographic history. Multiple statistical modelling approaches were combined with extensive data on species occurrences and environmental drivers. Models were built for refugia, vascular plant species, and various aspects of species richness. Changes in responses were projected across climate scenarios within Fennoscandia. The pronounced climate-dependency of high-latitude species and refugia suggests climate change to have substantial impact on the region’s flora. However, incorporation of topo-geological drivers improved models and forecasts of refugia. Refugia may be especially important for species persistence under severe climate change, particularly for rare or threatened species. Diversity hotspots exhibited low congruence due to variance in key drivers: total species richness prospers in warmer conditions; hotspots of range-restricted species occur near the cooler Northern Scandes. Protected areas in northern Fennoscandia offer limited coverage for these culminations of biodiversity. The climate change sensitivity of high-latitude flora depends not only on predicted warming, but on regional geography and species biogeographic history. Contrary to global estimates these findings do not predict poleward range center shifts. Northern Arctic species are more likely to experience southward contractions and become endangered through range loss. Northern Scandes are projected to be particularly susceptible. The results draw attention to high elevations such as the Southern Scandes for the persistence of cold-adapted flora, though suitable habitat may not persist for all species. Results demonstrate the potential significance – and some unexpected effects – of climate change in the Arctic-alpine realm. Findings of substantial, non-poleward range contractions and decreases in species richness may be counterbalanced by the refugial safeguarding of Arctic-alpine vegetation. Importantly, forecasts are affected by landscape-scale factors and biogeographical history, opening interesting avenues for future research. This study demonstrates the critical role of high-quality data sampled at resolutions reflecting significant environmental gradients for developing useful models of species distributions and richness. The methods used allowed refugia and diversity to be successfully modelled. This provides further insight into current and future conditions for high-latitude flora and highlights the importance of underlying ecological knowledge. From an applied point of view, results emphasize the significance topo-geologically defined areas for biodiversity. The potential locations and environmental parameters of refugia and ecosystem changes herein can inform conservation strategies within the Arctic-alpine realm and beyond.Arktis-alpiiniset alueet kohtaavat merkittäviä muutoksia tulevaisuuden ilmasto-olosuhteissa. Tarvitsemme parempaa ymmärrystä näiden muutosten mahdollisista vaikutuksista arktis-alpiinisten lajien levinneisyyksiin ja arktis-alpiiniseen ympäristöön. Tämä tieto on ratkaisevan tärkeää korkeilla leveysasteilla, jotka ovat herkkiä meneillään oleville muutoksille. Jotta arktis-alpiinisten kasvilajien säilyminen voidaan turvata, on oleellista tutkia lajien runsautta sääteleviä tekijöitä sekä refugioita, joissa kasvit voivat selviytyä ympäristöolosuhteiden muuttuessa Tämä työ pyrkii parantamaan käsitystämme näistä aiheista tutkimalla nykypäivän refugioiden keskeisiä piirteitä sekä lajirunsaskeskittymiä ja suojelualueiden kattavuutta, että ennustamalla kasvilajien säilymistä liittyen topografisiin ja geologisiin olosuhteisiin, sekä tulevia muutoksia lajien levinneisyyksissä ja ilmastoherkkyydessä ja näiden kytköksiä lajien biogeografiseen historiaan. Väitöskirjassa hyödynnettiin useita tilastollisia mallinnusmenetelmiä yhdistettynä laajoihin laji- ja ympäristötietokantoihin. Tutkimuksessa mallinnettiin refugioita, kasvilajien levinneisyyksiä, sekä useita lajirunsausvasteita. Ennusteet projisoitiin erilaisiin ilmastoskenaarioihin sekä Käsivarren Lapin että Fennoskandian kattavilla mittakaavoilla. Tulokset osoittavat korkeiden leveysasteiden kasvilajien sekä refugioiden ilmastollisen riippuvuuden viitaten siihen, että ilmastonmuutoksella tulee olemaan merkittävä vaikutus alueen kasvistoon. Topo-geologisten muuttujien huomioiminen kuitenkin parantaa refugiamalleja ja -ennusteita merkitsevästi. Lajirunsauskeskittymät syntyvät eri alueilla eri syistä: esimerkiksi arktis-alppiinis-lajistoltaan runsaimmat alat esiintyvät etelämpänä Lapissa, kun taas alueellisesti harvinaisten lajien keskittymät viileämmillä Pohjois-Skandeilla. Luoteis-Lapin suojelualueet kattavat vain puolet mallinnetuista runsauskeskittymistä. Korkeiden leveysasteiden kasvilajien ilmastonmuutosherkkyys riippuu paikallisista olosuhteista ja biogeografisesta historiasta. Ennustetut lajilevinneisyydet eivät siirry kohti pohjoista ilmaston muuttuessa ja Pohjois-Skandit näyttäytyvät erityisen alttiina muutoksille. Arktisten ja kotoperäisten lajien uhanalaistumisriski on suurempi (kuin alpiinisten lajien) niiden levinneisyysalueiden kutistuessa kohti etelää. Ennusteet korostavat Etelä-Skandien tärkeyttä kasviston säilymiselle. Sopivaa elinympäristöä ei välttämättä kuitenkaan säily kaikille lajeille. Väitöskirja osoittaa ilmastonmuutoksella olevan mahdollisesti suuri merkitys – ja joitain odottamattomia vaikutuksia – Fennoskandian kasviston tulevaisuudelle. Vähenemisiä lajien levinneisyyksissä ja runsaudessa saattavat tasapainottaa tulokset, jotka korostavat refugioiden merkitystä kasvillisuuden turvaamisessa. Lajilevinneisyysennusteisiin vaikuttavat ilmaston lisäksi sekä topogeologiset muuttujat että biogeografinen historia, herättäen mielenkiintoisia kysymyksiä tuleville tutkimuksille. Tutkimus osoittaa kattavien, korkealaatuisten ja -resoluutioisten aineistojen merkityksen lajilevinneisyys- ja runsausmallinnuksessa. Refugioiden ja monimuotoisuuden onnistunut mallintaminen lisää tietoa korkeiden leveysasteiden kasviston nykyisistä ja tulevista olosuhteista. Soveltavasta näkökulmasta tarkasteltuna tulokset korostavat topo-geologisten muuttujien tärkeyttä luonnon monimuotoisuuden tunnistamisessa ja ennustamisessa. Tietoa refugioiden ja muutosten sijainneista sekä taustatekijöistä voitaisiin hyödyntää Suomen ja Fennoskandian arktis-alpiinisisten alueiden suojelussa