Development of ecological indicators of climate change based on lichen functional diversity

Abstract

Growing evidence shows us that climate has changed in the recent decades, and the scenario for the future will most likely worsen. A set of climate variables is being developed to monitor climate change, but this is not enough to keep track its effects on ecosystems. It’s imperative to understand and quantify how ecosystems functioning are affected by and respond to these changes, and ecological indicators based on biodiversity metrics are one of the tools to do this. The objective of this work was to develop a global lichen functional diversity integrated ecological indicator of the effects of climate change on ecosystems. For that, we used a climatic gradient in space assuming a space-for-time proxy. To be global, we developed a framework to jointly analyse data from the two methodologies currently used at the continental scale (US and EU). Afterwards, we found that lichen traits, main type of photobiont, growth form and size respond to climate, namely to the range and seasonal variation of temperature and precipitation, and to relative humidity. However, the response was specific for each functional group (e.g. cyanolichens) showing that traits (e.g. photobiont) as a whole do not respond universally to the same climate variables. Then, we confirmed that each functional group reflected the underlying climate variables in a predictable way, validating their use as ecological indicators of climate change. Once our approach was not limited by species identity, we tested its potential to be used at a global scale. We found that each couple of functional group and underlying climatic variable cannot be applied at the global scale; the response is specific to areas with the same climatic limiting factor (ex: water availability). Because lichen functional groupbased indicators respond to the most limiting climate factors, and these vary as we move on the globe, its application must be specific to areas with similar climate limiting factors. Finally, we wanted to understand if the space-for-time proxy was valid. The ecological indicators previously found using a spatial approach for a specific climate were in fact those responding to climate shifts over fifteen years. Moreover, these indicators were able to respond to subtle shifts in climate no yet depicted by classic climate metrics. Thus lichens are in fact excellent ecological indicators to track the effects of climate change, and have the potential to be early warning. International organizations such as the Unite Nations three sister conventions have long demanded for a set of ecological indicators to track the effects of climate change, that can be monitored continuously over time. From now on, lichens can be included in this set of ecological indicators and we expect that this work will foster lichen functional diversity use as a tool to track climate change worldwide.

O clima global tem vindo a mudar ao longo das ultimas décadas e um conjunto de variáveis climáticas está a ser desenvolvido para monitorizar estas alterações climáticas. No entanto, isso não é insuficiente. É imperativo compreender e quantificar como o funcionamento dos ecossistemas é afetado e responde a estas alterações, e os indicadores ecológicos baseados na biodiversidade são uma das ferramentas para o fazer. O objectivo deste trabalho foi desenvolver um indicador ecológico global e integrado baseado na diversidade funcional de líquenes, para avaliar os efeitos das alterações climáticas nos ecossistemas. Para isso usamos um gradiente climático no espaço, assumindo o espaço-pelo-tempo como proxy. Para ser global, desenvolvemos um enquadramento de análise conjunta dos dados das duas metodologias de amostragem de líquenes usadas à escala continental (EUA e EU). De seguida, mostramos que os atributos funcionais de líquenes relacionados com o tipo de fotobionte, forma de crescimento e tamanho respondem ao clima, nomeadamente à amplitude e variação sazonal da temperatura e precipitação e à humidade relativa média anual. No entanto, a resposta foi específica para cada grupo funcional (p.e. cianolíquenes) mostrando que os atributos funcionais no seu todo (p.e. tipo de fotobionte) não respondem universalmente às mesmas variáveis climáticas. De seguida, confirmamos que cada grupo funcional refletiu as variáveis climáticas subjacentes de forma previsível, validando o seu uso como indicadores ecológicos. Porque esta abordagem não foi limitada pela identidade das espécies, testamos a sua aplicação à escala global. Descobrimos que os pares grupo funcional/variável climática subjacente não podem ser aplicados à escala global; a resposta é específica de áreas com o mesmo factor climático limitante (p.e. água). Porque respondem ao factor climático mais limitante e este varia à medida que nos movemos no globo, a sua aplicação tem que ser especifica a áreas com os mesmos factores climáticos limitantes. Finalmente, tentamos compreender se o proxy espaço-pelo-tempo usado era válido. Os indicadores ecológicos previamente identificados ao longo de um gradiente climático espacial, foram os que responderam a mudanças climáticas ao longo de 15 anos e esta resposta foi sensível a mudanças subtis no clima, não detetadas pelas métricas clássicas de clima. Em conclusão, os líquenes são de facto excelentes indicadores ecológicos para avaliar os efeitos das alterações climáticas, com potencial de alerta precoce. Organizações internacionais como as três convenções irmãs das Nações Unidas há muito exigem um conjunto de indicadores para avaliar os efeitos das alterações climáticas, que possam monitorizar continuamente. De hoje em diante, os líquenes podem ser incluídos neste conjunto e esperamos que este trabalho fomente o uso da diversidade funcional de líquenes como uma ferramenta para avaliar e seguir os efeitos das alterações climáticas nos ecossistemas do mundo inteiro.