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Using Population Viability Analysis to Predict the Effects of Climate Change on the Extinction Risk of an Endangered Limestone Endemic Shrub, Arizona Cliffrose

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Abstract

Abstract: The threat of global warming to rare species is a growing concern, yet few studies have predicted its effects on rare populations. Using demographic data gathered in both drought and nondrought years between 1996–2003 in central Arizona upper Sonoran Desert, we modeled population viability for the federally endangered Purshia subintegra (Kearney) Henrickson (Arizona cliffrose). We used deterministic matrix projection models and stochastic models simulating weather conditions during our study, given historical weather variation and under scenarios of increased aridity. Our models suggest that the P. subintegra population in Verde Valley is slowly declining and will be at greater risk of extinction with increased aridity. Across patches at a fine spatial scale, demographic performance was associated with environmental factors. Moist sites (patches with the highest soil moisture, lowest sand content, and most northern aspects) had the highest densities, highest seedling recruitment, and highest risk of extinction over the shortest time span. Extinction risk in moist sites was exacerbated by higher variance in recruitment and mortality. Dry sites had higher cumulative adult survival and lower extinction risk but negative growth rates. Steps necessary for the conservation of the species include introductions at more northern latitudes and in situ manipulations to enhance seedling recruitment and plant survival. We demonstrate that fine spatial-scale modeling is necessary to predict where patches with highest extinction risk or potential refugia for rare species may occur. Because current climate projections for the 21st century imply range shifts at rates of 300 to 500 km/century, which are beyond even exceptional examples of shifts in the fossil record of 100–150 km, it is likely that preservation of many rare species will require human intervention and a long-term commitment. Global warming conditions are likely to reduce the carrying capacity of many rare species' habitats.

Abstract

Resumen: La amenaza del calentamiento global a las especies raras es una preocupación creciente, a pesar de ello pocos estudios han predicho sus efectos sobre poblaciones raras. Utilizando datos demográficos obtenidos en años con y sin sequía entre 1996 y 2003 en el centro de Arizona en el desierto de Sonora, modelamos la viabilidad poblacional de Purshia subintegra (Kearney) Henrickson, federalmente en peligro. Utilizamos modelos determinísticos de proyección matricial y modelos estocásticos que simularon las condiciones del tiempo durante nuestro estudio, considerando la variación climatológica histórica y bajo escenarios de aridez creciente. Nuestros modelos sugieren que la población de P. subintegra en Valle Verde está declinando lentamente y estará en mayor riesgo de extinción con la aridez creciente. En una escala espacial fina, el funcionamiento poblacional se asoció con factores ambientales. Los sitios húmedos (parches con la mayor humedad del suelo, menor contenido de arena y con los aspectos más norteños) tuvieron las densidades más altas, el mayor reclutamiento de plántulas y el mayor riesgo de extinción en el plazo más corto. El riesgo de extinción en los sitios húmedos fue exacerbado por la mayor variación en el reclutamiento y la mortalidad. Los sitios secos tuvieron mayor supervivencia acumulativa de adultos y menor riesgo de extinción pero tasas negativas de crecimiento. Los pasos necesarios para la conservación de las especies incluyen introducciones en latitudes más al norte y manipulaciones in situ para reforzar el reclutamiento de plántulas y la supervivencia de plantas. Demostramos que el modelado a escala espacial fina es necesario para predecir donde pueden ocurrir parches con mayor riesgo de extinción o como refugios para especies raras. Debido a que las actuales proyecciones climáticas para el siglo veintiuno implican cambios en los rangos de distribución a una tasa de 300 a500 km/siglo, que exceden aun a los ejemplos de cambios excepcionales de 100-150 km en el registro fósil, es probable que la preservación de muchas especies raras requiera de la intervención humana con un compromiso a largo plazo. Las condiciones del calentamiento global probablemente reducirán la capacidad de carga de los hábitats de muchas especies raras.

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