Modeling spatial distribution of oriental beech (fagus orientalis): Past, present and future

Abstract

İklim değişikliği, şimdiye kadar ~ 1 ° C'lik sıcaklık ısınmasıyla bile orman biyomlarını her zamankinden daha ciddi şekilde etkilemektedir. Bu biyomların coğrafi dağılımları, artan sıcaklık ve azalan yağışlarla ilişkilendirilmektedir. Türler bu coğrafi bariyerleri kaydırarak bu değişikliğe uyum sağlamaya çalışırlar. Global ölçekteki son ısınma, çoğu ağaç türünün hayatta kalma oranını etkilemekle beraber, aynı zamanda ekstrem olayların türler üzerindeki risklerini de arttırmış oldu. Bu türlerden biri olan Fagus orientalis (doğu kayını), Doğu Balkanlardan itibaren, Türkiye, Kafkasya, Kırım ve Kuzey İran ile güneydoğudaki Amanos Dağları da dahil olmak üzere, geniş bir alana yayılan, aynı zamanda geniş bir yükselti dağılımına da sahip (deniz seviyesinden 2100 metrelere kadar), ılıman iklimlerde yaşayan, yaprak döken, geniş yapraklı bir türdür. Kayın, ormanları domine eden ve yeni ekosistemler yaratan bir tür olmasından ötürü bulunduğu yaşam alanında önemli bir role sahiptir, bunun yanında birçok endüstri tarafından kullanıldığından ekonomik etkisi de oldukça fazladır. Yapılan araştırmalardan bazıları, iklim değişikliğinin sebep olduğu sıcaklık artışı ve yağışların azalamasıyla beraber gelen kuraklık riskinin doğu kayınının büyümesini kısıtladığını göstermektedir. Kayın ağacının, ormancılık, endüstri ve ekosistemdeki önemi nedeniyle Türkiye coğrafyasına daha çok hakim olan Fagus orientalis türü bu çalışmada ilgi odağı olmuştur. Bunun için biomod2 R paketine gömülmüş beş farklı algoritma - BIOCLIM, General Additive Model (GAM), General Linearized Model (GLM), Random Forest (RF), Maximum Entropy (MaxEnt) - ile alansal tür dağılım modeli simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu simülasyonlar için gerekli olan çevresel etmenler iklim ve yükselti olarak kararlaştırılmış, günümüz, geçmiş ve gelecek iklim verisi WordClim'den (versiyon 1.4), yükselti verisi alışma alanına özel olarak NASA'dan dijital yükseklik modeli şeklinde alınmıştır. Modeller için çalışma alanı, Avrasya'da Fagus sp.'nin görüldğü yerler baz alınarak tanımlanmıştır, tam olarak belirtmek gerekirse 18 - 62 Doğu ve 33 - 51 Kuzey koordinatları bu alanı kapsamaktadır. Çevresel verilere ek olarak modelin gerektirdiği bir diğer veri olan dağılım verileri, Orman Genel Müdürlüğü ve EUFORGEN projesinden elde edilen verilerin birleşimi ile elde edilmiştir. Günümüz şartlarıyla yürütülen ilk simülasyon bu dağılım verisi ile alansal olarak çakıştığından , modelin güvenilirliği doğrulanmıştur. Sonrasında bu modeller, iki küresel iklim modeli ile, MIROC-ESM ve CCSM4, elde edilen Son Buzul Maksimumu (21.000 g.ö.), Orta Holosen (6,000 g.ö.), 2050 ve 2070 zaman dilimlerini kapsayan iklim değişikliğini yansıtan parametrelerle, türün ilerideki alansal dağılımının tahmini için kullanılmıştır. F. orientalis dağılımının bugünkü dağılımından kuzeydoğuya doğru kaydığı görülmüştür ve bu bölgelerin dağlık alanların yoğun görüldüğü yerler (genellikle Kafkasya) olduğu saptanmıştır. Ek olarak türün, gelecekte soğuk ve yağışlı iklim şartları beklenen alanlara yöneldiği gözlemlenmiştir. Kullanılan algoritmalar istatiksel olarak eğri altında kalan alan (AUC) değerleri ile karşılaştırılmış ve girdilere göre en iyi modelin RF (AUC = 0.99) olduğu görülmüştür. Literatüre göre, RF algoritması etkin sınıflandırma prensibi ile daha kesin ve daha güvenilir tahminler yapmaktadır, bu çalışmada bunun doğruluğu görülmüştür. İlk tür dağılım modeli algoritması ve ilkel istatiksel hesaplamaları sebebiyle BIOCLIM (AUC = 0.79) ise en kötü model olmuştur. Öte yandan GAM algoritmasının geçmiş dönemlerdeki simülasyonlarında aşırı yorumlamaya sebebiyet verdiği görülmüş ve buna çalışma alanının büyüklüğünün, algoritmanın hesaplama istatistiklerinde sebebiyet verdiği hatanın neden olduğu tespit edilmiştir. Bazı simülasyonların sonucunda günümüzde görülmeyen alanlarda, özellikle iç Ege ve Avrupa, F. orientalis dağılımı tespit edilmiştir. İç Ege'deki dağılımın sebebinin insan etkisiyle beraber, ekosistemdeki bitki ve diğer canlılar ile olan kompetisyon olabileceği şeklinde yorumlanmıştır. Tür dağılım modellerinin biyolojik faktörleri girdi olarak kabul etmemesi bu konuda yapılabilecek bir tahmini bu çalışma için engellemektedir. Modeller sadece abiyotik faktörleri kabul etmektedir ve bu çalışmmada sadece bunlardan iki tanesi (iklim ve yükselti) kullanılmıştır. Avrupa'daki dağılım ise F. orientalis'in yakın akrabası olan F. sylvatica ile ilişkilendirilmiştir. İki türün fizyolojik benzerliği, birbirine yakın şartlar ve ekosistemlerde yaşamalarını sağlamaktadır, modelin bu bölgelerde uygun iklim şartları gördüğü yerlerde F. orientalis bireylerinin olabileceğini düşünmesi bu açıdan beklenilebilir olarak görülmüştür. Her küresel iklim modeli kendi içinde farklı değerlere sahip olduğundan, MIROC-ESM ve CCSM4 kendi aralarında karşılaştırılmış ve MIROC-ESM'in daha sıcak ve yağışlı olduğu saptanmıştır. İki modelle aynı dönemlerde yapılan tahminlerde CCSM4 simülasyonlarının daha fazla popülasyon yoğunluğuna sahip olduğu görülmüştür, bu sonuç ve iki model arasındaki karşılaştırma, F. orientalis üzerindeki asıl limitleyici faktörün sıcaklık olduğunun düşünülmesine yol açmıştır. Simülasyonların doğrulukları aynı zamanda dönemler arasındaki iklim şartlarının karşılaştırılması ile de doğrulanmıştır. Geçmişteki daha soğuk ve kurak dönemler ile, gelecekte daha sıcak ve kurak olması beklenen alanlarda türün dağılımı oldukça az gözlenmiştir. Bu sonuçlar ile daha kuru ve daha yüksek sıcaklıkların bu türlere sınırlama olarak görüldüğü doğrulanmıştır. Ayrıca, geçmiş simülasyonları ile bu türlerin sığınak alanlarını kabaca tanımlanmış olup, tür özelinde bu alanda yeni çalışmaların ilk adımı atılmıştır. Bu çalışmanın sonuçlarının, Fagus orientalis türünü iklim değişikliğinin ağır etkilerinden koruyabilmek için amenajman ve koruma planlarının iyileştirilmesine yardımcı olacağına inanıyoruz. Buna ek olarak, çalışmayı geliştirmek amacı ile IPCC'den farklı iklim senaryoları ve korelasyon analizi yapılmış iklim parametreleri ile simülasyonlar yapılmaya, ayrıca dendrokronoloji ile palinoloji alanlarından destek alınmaya çalışılmaktadır.

Climate change affects forest biomes more severely than ever, even with the ~1°C temperature warming so far. Geographical distributions of these biomes are linked to warming temperatures and decreasing precipitation. Species try to adapt to this change by changing these geographical barriers. Recent warming not only impacted the survival rates of most tree species, also increased risks in handling extreme events. Fagus orientalis is a temperate, deciduous, broad-leaved species, which covers a wide area from the eastern Balkans through Turkey, Caucasia, Crimea and northern Iran, including the Amanos Mountains in the south, with a large elevational distribution from sea level to 2100 m. Beech has an important role in terms of dominating forests and creating new ecosystems, also it is used by many industries. Several research indicate that these species are disturbed by changing the climate in terms of increasing temperature and decreasing precipitation. Because of its importance in forestry, industry and ecosystem Fagus sp. were the focus of interest in this study. We conducted species distribution model simulations with five different algorithms embedded in biomod2 R package – BIOCLIM, GAM, GLM, RF, MaxEnt – and with environmental data from the climate of the present, past, and future from Wordclim version 1.4, as well as digital elevation model for altitude from NASA. Our simulations covered an area in Eurasia where Fagus sp. is seen, exact coordinates of 18 – 62 East and 33 – 51 North. We verified our model with present-day classifications, which fitted well the distributional data obtained from General Directorate of Forestry and EUFORGEN project. These models were used to 'predict' distributions through climate changes spanning Last Glacial Maximum (21,000 bp), Mid-Holocene (6,000 bp), 2050 and 2070 obtained from two global climate models, MIROC-ESM and CCSM4. We observed that F. orientalis distribution is toward the northeast from its present distribution, where mountainous regions are intense, colder and wetter climates are available according to future conditions. These results led us to verify that drier climate and higher temperatures are considered as limitations to these species. Additionally, we could identify refugia areas for this particular species in the past which might lead to new studies. We believe that the outcomes of this study would help improving management and conservation plans for Fagus orientalis in order to protect it from severe effects of climate change.