Modelling the population dynamics and distribution of two Ophrys (Orchidaceae) species in northwestern Greece

Abstract

The life history of orchids is relatively well understood qualitatively, but quantifying this in a model and extracting a conservation message remains challenging. Orchid conservation requires the means to assess a species’ vulnerability, and to restore populations that have lost numbers or range. Demographic studies have been a useful tool to assess orchid population dynamics, gain insights to their complex ecology, and better understand how they develop in time and space. Population models can reveal population variability trends and provide predictions on the development of populations in time. Also, they can forecast the population probability of extinction, based on demographic characteristics, and reveal the effect of intrinsic or extrinsic factors. The complex biology of orchids, and their numerous interactions with other organisms, increase their vulnerability. Orchids are expected to face greater risk due to climate change, with alterations to their phenology being already visible, while population declines, and distribution changes have also been forecasted. This thesis aims to gain more insight into the life history of orchids as Type-III organisms, by understanding the effects of certain intrinsic and extrinsic factors on their development in space and time. Arranged as a series of research papers, each chapter tries to answer a specific question related to this main goal. In Chapter 1, we examine orchid population dynamics and, by extension, a large number of similar organisms with Type-III survival strategy (high fecundity - high early-life mortality). By assuming a balance between average growth and average decline, we established a theoretical dynamic population model which runs under scenarios of high environmental variability for various levels of fecundity. Our findings show that population variability increases mainly through survival variability. High fecundity acts as an amplifier of environmental variability and can cause populations to reach levels where extinction is a threat. Thus, extinction probability can paradoxically rise with increasing fecundity. In addition, at high fecundities, the extinction probability of orchids and other organisms characterized by very high fecundity and high pre-reproductive mortality may be relatively insensitive to initial population size, compared with organisms with low fecundity and mortality. Changes in the environment have a greater impact than low initial population sizes. The high fecundities of orchids do not shield them from extinction but might cause them to be more vulnerable to extinction. In Chapter 2, we monitored two Ophrys species in Greece, the locally common Ophrys helenae, and the locally rare O. insectifera. Our main goal was to obtain information on their life history, as well as to explore their populations’ spatial structure. We selected six populations of O. helenae and two of O. insectifera and performed censuses in flowering and fruiting season. For O. helenae we also performed experiments to explore its viability of seeds and its in vitro germination ability. We gathered field observations on their demographic parameters and spatial data for three consecutive years, to gain insight on their demographic characteristics. O. helenae is found to be more robust in terms of demography; however, it showed interannual fluctuations in all life history parameters among its studied populations, with the southern population being more successful than the northern ones close to the species distribution core. On the other hand, O. insectifera showed less variability in demographic parameters in all years, and a rather stable overall condition, pointing to a critical condition of its already fragmented presence in Greece. Regarding their spatial structure, both species showed high levels of clustering, most probably due to microsite quality. The results of this study were used to parametrize dynamic population models specific to the species. In Chapter 3, we present a process-based stage-structured population model that is strongly coupled to orchid-specific (and especially Ophrys) mechanisms. We aim to explore the population variability and proportion of extinction in time, for our studied populations of Ophrys helenae and O. insectifera in Greece. By applying the model and making use of Chapter 2 and also data from other sources, we forecast the expected development of each of the eight populations of the two Ophrys species, regarding population sizes and proportion of extinction. We forecast low extinction probabilities for all of the Ophrys helenae populations. Populations are expected to drift considerably in a random fashion; however, major extinction probabilities are only expected for times > 100 years. However, the populations of O. insectifera are expected to be much more vulnerable, especially the population in Delvinaki. For model improvements, a priority should be obtaining better data for environmental variability over longer time scales. In Chapter 4 we investigated the recently reported southeastern movement of Helen’s Bee Orchid (Ophrys helenae) that goes against usual expectations, via Species Distribution Modelling. We investigated whether this pattern is consistent with projections based on the species’ response to climate change. We predicted the species’ future distribution based on three different climate models in two climate scenarios. We also explored the species’ potential distribution during the Last Interglacial and the Last Glacial Maximum. O. helenae is projected to shift mainly southeast and experience considerable area changes. The species is expected to become extinct in the core of its current distribution, but to establish a strong presence in the mid- and high-altitude areas of the Central Peloponnese, a region that could have provided shelter in previous climatic extremes. In Chapter 5, continuing on this theme of analysis by SDMs, we explored how climatic alterations will affect the distribution of the fly orchid (Ophrys insectifera L.) in Europe. O. insectifera is one of the most well-known and iconic species of Ophrys, so its future distribution is a matter of considerable interest to many people. The orchid’s environmentally suitable area is projected to shift northwards but downhill in the future, experiencing a moderate overall range contraction. More specifically in near- and long-term future, it is expected to be lost in Southern Europe, especially from the Balkans, while it will gain areas in North Europe, with the UK, Scandinavia, and the Baltic countries being among the winners. These results, although conservative since they are based only on abiotic variables, provide useful insights on the fly orchid’s response to future climatic change, and can serve as a basis for further studies on a finer scale.

Ο κύκλος ζωής των ορχιδεών έχει επαρκώς μελετηθεί, αλλά συνεχίζει να αποτελεί πρόκληση η ποσοτικοποίησή του, με μετατροπή των επιμέρους διεργασιών σε παραμέτρους ενός μοντέλου, που επιτρέπει προβλέψεις της εξέλιξης ενός πληθυσμού και εκτίμηση της τρωτότητάς του και κατ’ επέκταση διαχειριστικούς στόχους και μέτρα αποκατάστασης, εφόσον κριθεί αναγκαίο. Η περίπλοκη βιολογία των ορχιδεών και οι σχέσεις εξάρτησής τους από άλλους οργανισμούς αυξάνουν την τρωτότητά τους σε ένα ολοένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον. Αλλαγές στη φαινολογία αρκετών ειδών λόγω κλιματικής αλλαγής είναι ήδη ορατές, ενώ παράλληλα προβλέπονται μειώσεις σε πληθυσμιακά μεγέθη και μεταβολές (κυρίως μείωση) της εξάπλωσής τους. Η μελέτη των δημογραφικών στοιχείων παρέχει την πληροφορία που είναι απαραίτητη για την διερεύνηση της δυναμικής των πληθυσμών. Τα πληθυσμιακά μοντέλα που κατασκευάζονται αξιοποιώντας αυτήν την πληροφορία είναι ικανά να παρουσιάσουν τις τάσεις ενός πληθυσμού και να προβλέψουν την εξέλιξή του υπό την επίδραση διαφόρων παραγόντων. Με αυτά δεδομένα, η παρούσα διδακτορική διατριβή αποσκοπεί στην καλύτερη κατανόηση του κύκλου ζωής των ορχιδεών, ως οργανισμών Τύπου-ΙΙΙ, μέσα από τη μελέτη των επιπτώσεων ενδογενών και εξωγενών παραγόντων στην εξέλιξη των πληθυσμών τους στο χώρο και το χρόνο. Δομημένη ως ένα σύνολο επιστημονικών άρθρων (παρά σαν μονογραφία), κάθε κεφάλαιό της επιχειρεί να απαντήσει σε ένα συγκεκριμένο ερώτημα που συνδέται με τον κεντρικό στόχο της. Στο Κεφάλαιο 1, εξετάστηκε η δυναμική πληθυσμών των ορχιδεών και κατ’ επέκταση ενός μεγάλου συνόλου οργανισμών με παρόμοια στρατηγική επιβίωσης, αυτών του Τύπου-ΙΙΙ (μεγάλη γονιμότητα – μεγάλη θνησιμότητα στα πρώτα στάδια της ζωής). Υποθέτοντας ισορροπία μεταξύ της μέσης αύξησης και της μέσης μείωσης ενός πληθυσμού, δημιουργήθηκε ένα θεωρητικό μοντέλο δυναμικής πληθυσμών, το οποίο εξετάστηκε υπό διαφορετικά σενάρια υψηλής περιβαλλοντικής μεταβλητότητας και για διαφορετικά επίπεδα γονιμότητας. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η μεταβλητότητα των πληθυσμών αυξάνεται κυρίως λόγω της μεταβλητότητας στην επιβίωση. Επιπλέον, η υψηλή γονιμότητα λειτουργεί ενισχυτικά στην περιβαλλοντική μεταβλητότητα με αποτελέσμα να μπορεί να οδηγηθούν οι πληθυσμοί σε επίπεδα που συνδέονται με κίνδυνο εξαφάνισης. Δηλαδή, αντίθετα με το προφανές, η πιθανότητα εξαφάνισης μπορεί να αυξηθεί όταν η γονιμότητα είναι υψηλή. Επιπλέον, σε συνθήκες πολύ υψηλής γονιμότητας, η πιθανότητα εξαφάνισης των ορχιδεών και άλλων οργανισμών Τύπου-ΙΙΙ δεν επηρεάζεται ιδιαίτερα από το αρχικό πληθυσμιακό μέγεθος, σε αντίθεση με οργανισμούς με χαμηλή γονιμότητα και θνησιμότητα, ενώ οι αλλαγές στο περιβάλλον φαίνεται πως είναι περισσότερο καθοριστικές. Συνεπώς, η μεγάλη γονιμότητα των ορχιδεών δεν τις προστατεύει από εξαφάνιση, αλλά αντίθετα, μπορεί να αυξήσει την τρωτότητά τους. Στο κεφάλαιο 2, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα παρακολούθησης δυο ειδών Ophrys στην Ελλάδα, το τοπικά κοινό Βαλκανικό ενδημικό Ophrys helenae και το τοπικά σπάνιο Ευρωπαϊκό είδος O. insectifera. O κύριος στόχος αυτού του σκέλους της έρευνας ήταν η απόκτηση περισσότερης πληροφορίας για των κύκλο ζωής τους καθώς και της χωρικής δομής των πληθυσμών τους προκειμένου να χρησιμοποιηθεί στην παραμετροποίηση του δυναμικού πληθυσμιακού μοντέλου που αποτελεί αντικείμενο του επόμενου κεφαλαίου. Επιλέχθηκαν συνολικά έξι πληθυσμοί του O. helenae (συμπεριλαμβανομένων πληθυσμών από τα ΝΑ άκρα της εξάπλωσής του) και δύο του O. insectifera, στους οποίους πραγματοποιήθηκαν επιτόπιες μετρήσεις για τρία συναπτά έτη, σε δυο περιόδους ανά έτος, κατά την ανθοφορία και την καρποφορία τους. Οι μετρήσεις αφορούσαν σε σύνολο δημογραφικών παραγόντων και χωρικών χαρακτηριστικών. Επιπλέον, για το O. helenae πραγματοποιήθηκαν πειράματα επιβίωσης των σπερμάτων και φυτρωτικότητάς τους in vitro. Διαφάνηκε ότι το O. helenae είναι πιο εύρωστο ως προς τα δημογραφικά χαρακτηριστικά, παρά την ετήσια μεταβλητότητα όλων των πληθυσμών, ενώ ο νοτιότερος πληθυσμός προέκυψε περισσότερο παραγωγικός σε σχέση με αυτούς στο κέντρο εξάπλωσης του είδους. Αντίθετα, το O. insectifera παρουσίασε μια σχετικά σταθερή εικόνα, χωρίς ακραίες μεταβολές στις δημογραφικές του παραμέτρους, κάτι που πιθανόν υποδεικνύει μια μεγαλύτερη τρωτότητα της ήδη κατακερματισμένης παρουσίας του στην Ελλάδα. Ως προς τη χωρική δομή, οι πληθυσμοί και των δύο ειδών παρουσίασαν υψηλά επίπεδα συσσωμάτωσης, που μπορεί να αποδοθεί σε χαρακτηριστικά του μικροενδιαιτήματος. Στο Κεφάλαιο 3, παρουσιάζεται το δυναμικό πληθυσμιακό μοντέλο που κατασκευάστηκε βασισμένο σε διεργασίες και στάδια του κύκλου ζωής των ορχιδεών, κυρίως αυτών του γένους Ophrys. Χρησιμοποιώντας δεδομένα που παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 2 καθώς και από τη βιβλιογραφία (σε ορισμένες περιπτώσεις) στο μοντέλο, έγινε προσπάθεια πρόβλεψης της εξέλιξης καθενός εκ των συνολικά οχτώ πληθυσμών των δύο ειδών ως προς το πληθυσμιακό τους μέγεθος και την πιθανότητα εξαφάνισής τους στο μέλλον. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, προέκυψε χαμηλή πιθανότητα εξαφάνισης για όλους τους πληθυσμούς του O. helenae που αναμένεται να βιώσουν σημαντικές τυχαίες μεταβολές αλλά χωρίς επιπτώσεις στην πιθανότητα εξαφάνισης τους, η οποία δεν αναμένεται να αυξηθεί σε χρονικό πλαίσιο μικρότερο των 100 ετών. Αντίθετα, για τους πληθυσμούς του O. insectifera αναμένεται υψηλότερη πιθανότητα εξαφάνισης, κυρίως για αυτόν στο Δελβινάκι. Προτεραιότητα για την βελτίωση του πληθυσμιακού μοντέλου είναι η λήψη δεδομένων περιβαλλοντικής μεταβλητότητας σε μεγαλύτερες χρονικές κλίμακες. Στο Κεφάλαιο 4, εξετάζεται η πρόσφατη «θεωρία» της ενεργού εξάπλωσης του Ophrys helenae προς τα νότια-νοτιοανατολικά της Ελλάδας, αντίθετη με την επικρατούσα τάση, χρησιμοποιώντας μοντέλα κατανομής ειδών. Ερευνήθηκε αν το πρότυπο αυτό συνάδει με τις προβλέψεις για την απόκριση του είδους στην κλιματική αλλαγή, μέσω της πρόβλεψης της μελλοντικής εξάπλωσης του είδους χρησιμοποιώντας τρία διαφορετικά κλιματικά μοντέλα σε δύο κλιματικά σενάρια. Επιπλέον, διερευνήθηκε η εξάπλωση που είχε το είδος στο παρελθόν, στην τελευταία Παγετώδη (Last Glacial Maximum) και τελευταία Μεσοπαγετώδη περίοδο (Last Interglacial). Προβλέπονται σημαντικές αλλαγές στο εύρος εξάπλωσής του O. helenae, μετατόπισή του κυρίως νοτιοανατολικά, εξαφάνιση στον πυρήνα της τρέχουσας εξάπλωσής του και ισχυρότερη παρουσία του σε περιοχές μέσου και μεγάλου υψομέτρου στην κεντρική Πελοπόννησο, μιας περιοχής που πιθανόν αποτέλεσε καταφύγιο για το είδος σε προηγούμενες περιόδους με ακραίες κλιματικές συνθήκες. Συνεχίζοντας την θεματική των Μοντέλων Κατανομής Ειδών, στο Κεφάλαιο 5, εξετάστηκαν οι επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής στο εύρος εξάπλωσης του Ophrys insectifera στην Ευρώπη. Το είδος αυτό είναι ένα από τα πιο γνωστά και αναγνωρίσιμα του γένους, συνεπώς οι όποιες αλλαγές στην εξάπλωσή του παρουσιάζουν ενδιαφέροντος για ένα ευρύ κοινό. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, αναμένεται συρρίκνωση της εξάπλωσης του είδους και μετατόπισή της σε μικρότερα υψόμετρα και μεγαλύτερα γεωγραφικά πλάτη. Πιο συγκεκριμένα, προβλέπεται ότι το O. insectifera θα εκλείψει από την Νότια Ευρώπη και κυρίως από τα Βαλκάνια, ενώ παράλληλα αναμένεται πως θα ‘κερδίσει έδαφος’ σε περιοχές του Βορρά, με το Ηνωμένο Βασίλειο, τη Σκανδιναβία και τις χώρες της Βαλτικής να είναι μεταξύ των τελευταίων. Τα αποτελέσματα αυτά, αν και βασίζονται αποκλειστικά σε αβιοτικές παραμέτρους, παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για την απόκριση του O. insectifera στην κλιματική αλλαγή και μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για επιπλέον έρευνα σε μικρότερες κλίμακες.