Community dynamics in a rapidly warming high Arctic: trophic synchrony in time and space

Hovedmålet med INSYNC har vært å forbedre vår forståelse for hvordan økologiske klimaeffekter kan påvirke dynamikken til hele artssamfunn ved å påvirke trofiske interaksjoner og nøkkelarters bestandssvingninger. Dette gjorde vi ved å studere livet på svalbardtundraen, som karakteriseres av et relativt enkelt trofisk system med få arter, og ikke minst de raskeste klimaendringene i verden. INSYNC har gått etter planen, og målene ble oppnådd ved å kombinere felteksperimenter og observasjonsstudier med stokastiske bestandsmodeller som tar hensyn til nøkkelartenes rolle, sentrale trofiske interaksjoner, tetthetsavhengige prosesser og aldersstruktureffekter. Prosjektet har gjennomført datainnsamling fra to nyskapende felteksperimenter og fangs-gjenfangststudier av svalbardrein og hvitkinngås, analyser av hvilke faktorer som påvirker artenes bestandsdynamikk, trender og romlige synkroni, og teoretiske studier av mer generell art. Prosjektet har levert blant annet 27 artikler publisert i fagfellevurderte tidsskrifter, 2 bokkapitler, mediebidrag, konferansebidrag, en app for regulering av jaktkvoter på villrein, fagrapporter, 16 masteroppgaver og 3 PhD-oppgaver. Dette har bidratt til en bedre mekanistisk forståelse for hvordan både direkte og indirekte klimaeffekter kan påvirke artene, samt for generelle økologiske prosesser. Våre publikasjoner og andre vitenskapelige resultater har vist (1) hvordan plantene – og derved herbivorenes matfat – responderer til eksperimentell ising på vinteren og oppvarming på sommeren; (2) at klimaeffekter (som ising og sommeroppvarming), høsting og tetthetsavhengighet kan alene eller i interaksjon påvirke svalbardreinens bestandsdynamikk, adferd, bestandsgenetikk og romlige prosesser; (3) at dette i sin tur (gjennom flere trofiske interaksjonsledd) har indirekte effekter på hvitkinngåsas bestandsdynamikk og evolusjonære seleksjonsprosesser; og (4) at klimaendringer kan føre til endringer i enkeltarters romlige bestandssynkroni, som igjen kan ha betydning for faren for utdøelse og dynamikken til andre arter. Sammen gir disse resultatene helt ny innsikt i hvordan den romlige og temporære dynamikken til hele artssamfunn kan påvirkes av klimaendringer. Et annet viktig resultat er at klimaeffektene kan virke forskjellig selv over relativt korte avstander, noe som betyr at naturlig romlig variasjon i miljøet og i bestandenes responser vil kunne bufre arten mot de negative effektene av klimaendringer på enkeltbestander. Dette er spesielt viktig i et fragmentert miljø med reduksjon i sjøis og økende grad av isolasjon for mange bestander, noe vi viser har økt den genetiske differensieringen mellom reinsdyrbestandene. Disse og andre resultater fra INSYNC har gitt svært nyttig kunnskap og nye verktøy for forvaltningen.

Outcomes: The project has led to novel scientific insights and increased interdisciplinary and international research collaboration in Svalbard. INSYNC has included active participation by research institutions in the Netherlands, Iceland, UK, and Sweden, and INSYNC personell have conducted research stays abroad. The project has been highly interdisciplinary, involving population ecologists, plant biologists, remote sensing experts, statisticians, biomodellers and climate scientists. Impacts: Through a significantly improved understanding of climate change effects on tundra species, and their spatiotemporal variation, INSYNC has had a large impact on the knowledge base for monitoring and sustainable management of wildlife, especially but not only in Svalbard. For instance, local authorities (Sysselmesteren) have implemented changes in the reindeer hunting quotas according to the results from INSYNC.

One priority in ecology is to predict effects of climate change beyond the single-species level. However, accounting for trophic interactions (i.e. indirect climate effects) and demography (e.g. density-dependence and age-structure fluctuations) often proves difficult even in population-dynamic analyses of single species. At the community level, these challenges are particularly hard to address because they require mechanistic insights into both species-specific and shared climatic signals acting across species. These insights must be integrated in sound demographic models based on long-term, high-quality data. In INSYNC, we address this with a case study from high-arctic Svalbard, characterized by a simple trophic structure, strong warming, and unique availability of high-quality data. The aim is to demonstrate how a shift from the single-species perspective to a stochastic multi-species modelling framework for community-level dynamics may significantly alter our predictive understanding of ecosystem structure and functioning. First, we will address some important mechanistic unknowns by combining novel experiments with time-series data to examine effects of extreme rain-on-snow events (icing, direct climate effect) and herbivory (indirect climate effect) on plants. Next, following careful demographic modelling of the population dynamics in migratory barnacle goose, we will test whether climate and extreme events operating on the overwintering vertebrates (reindeer and their scavenger, the Arctic fox) may cascade through the entire food web due to indirect climate effects. Finally, we evaluate larger-scale impacts by estimating shared patterns of spatial synchrony across trophic levels, and how changing synchrony may be related to climate change. We anticipate cutting-edge results with major impacts on our general understanding of ecosystem processes and community dynamics in fluctuating environments.