• Energy Research

Understanding the mechanisms of climate that produce novel ecosystems is of joint interest to conservation biologists and palaeoecologists. Here, we define and differentiate transient from accumulated novelty and evaluate four climatic mechanisms proposed to cause species to reshuffle into novel assemblages: high climatic novelty, high spatial rates of change (displacement), high variance among displacement rates for individual climate variables, and divergence among displacement vector bearings. We use climate simulations to quantify climate novelty, displacement and divergence across Europe and eastern North America from the last glacial maximum to the present, and fossil pollen records to quantify vegetation novelty. Transient climate novelty is consistently the strongest predictor of transient vegetation novelty, while displacement rates (mean and variance) are equally important in Europe. However, transient vegetation novelty is lower in Europe and its relationship to climatic predictors is the opposite of expectation. For both continents, accumulated novelty is greater than transient novelty, and climate novelty is the strongest predictor of accumulated ecological novelty. These results suggest that controls on novel ecosystems vary with timescale and among continents, and that the twenty-first century emergence of novelty will be driven by both rapid rates of climate change and the emergence of novel climate states. This article is part of a discussion meeting issue ‘The past is a foreign country: how much can the fossil record actually inform conservation?’

Understanding the mechanisms of climate that produce novel ecosystems is of joint interest to conservation biologists and palaeoecologists. Here, we define and differentiate transient from accumulated novelty and evaluate four climatic mechanisms proposed to cause species to reshuffle into novel assemblages: high climatic novelty, high spatial rates of change (displacement), high variance among displacement rates for individual climate variables, and divergence among displacement vector bearings. We use climate simulations to quantify climate novelty, displacement and divergence across Europe and eastern North America from the last glacial maximum to the present, and fossil pollen records to quantify vegetation novelty. Transient climate novelty is consistently the strongest predictor of transient vegetation novelty, while displacement rates (mean and variance) are equally important in Europe. However, transient vegetation novelty is lower in Europe and its relationship to climatic predictors is the opposite of expectation. For both continents, accumulated novelty is greater than transient novelty, and climate novelty is the strongest predictor of accumulated ecological novelty. These results suggest that controls on novel ecosystems vary with timescale and among continents, and that the twenty-first century emergence of novelty will be driven by both rapid rates of climate change and the emergence of novel climate states. This article is part of a discussion meeting issue ‘The past is a foreign country: how much can the fossil record actually inform conservation?’

Abstract Anthropogenic pressures are causing a global decline in biodiversity. Successful attempts at biodiversity conservation requires an understanding of biodiversity patterns as well as the drivers and processes that determine those patterns. To deepen this knowledge, neoecologists have focused on studying present-day or recent historical data, while paleoecologists usually study long-term data through the composition of various biological proxies and environmental indicators. By establishing standard protocols or gathering databases, research infrastructures (RIs) have been instrumental to foster exchange and collaboration among scientists within neoecology (e.g. Global Information Biodiversity Facility or National Ecological Observatory Network) and paleoecology (e.g. Paleobiology Database, Neotoma Paleoecology Database or European Pollen Database). However, these two subdisciplines (and their RIs) have traditionally remained segregated although both provide valuable information that combined can improve our understanding of biodiversity drivers and underlying processes, as well as our predictions of biodiversity responses in the future. For instance, integrative studies between paleo- and neoecology have addressed the global challenge of biodiversity loss by validating climate and ecological models, estimating species fundamental niches, understanding ecological changes and trajectories, or establishing baseline conditions for restoration. Supporting and contributing to research infrastructures from both paleo- and neoecology, as well as their further integration, could boost the amount and improve the quality of such integrative studies. We argue this will enable improved capabilities to anticipate the impacts of global change and biodiversity losses. To boost such integration and illustrate our arguments, we (1) review studies integrating paleo- and neoecology to advance in the light of global changes challenge, (2) describe RIs developed in paleoecology, and (3) discuss opportunities for further integration of RIs from both disciplines (i.e. paleo- and neoecology).

Abstract Anthropogenic pressures are causing a global decline in biodiversity. Successful attempts at biodiversity conservation requires an understanding of biodiversity patterns as well as the drivers and processes that determine those patterns. To deepen this knowledge, neoecologists have focused on studying present-day or recent historical data, while paleoecologists usually study long-term data through the composition of various biological proxies and environmental indicators. By establishing standard protocols or gathering databases, research infrastructures (RIs) have been instrumental to foster exchange and collaboration among scientists within neoecology (e.g. Global Information Biodiversity Facility or National Ecological Observatory Network) and paleoecology (e.g. Paleobiology Database, Neotoma Paleoecology Database or European Pollen Database). However, these two subdisciplines (and their RIs) have traditionally remained segregated although both provide valuable information that combined can improve our understanding of biodiversity drivers and underlying processes, as well as our predictions of biodiversity responses in the future. For instance, integrative studies between paleo- and neoecology have addressed the global challenge of biodiversity loss by validating climate and ecological models, estimating species fundamental niches, understanding ecological changes and trajectories, or establishing baseline conditions for restoration. Supporting and contributing to research infrastructures from both paleo- and neoecology, as well as their further integration, could boost the amount and improve the quality of such integrative studies. We argue this will enable improved capabilities to anticipate the impacts of global change and biodiversity losses. To boost such integration and illustrate our arguments, we (1) review studies integrating paleo- and neoecology to advance in the light of global changes challenge, (2) describe RIs developed in paleoecology, and (3) discuss opportunities for further integration of RIs from both disciplines (i.e. paleo- and neoecology).

Résumé. La collecte de données modernes sur le pollen spatialement étendues est importante pour l'interprétation des diagrammes de pollen fossile. De tels ensembles de données sont facilement disponibles pour les données en pourcentage, mais manquent pour les taux d'accumulation de pollen (par). Combler cette lacune a été la motivation du réseau de surveillance du pollen, dont les contributeurs ont surveillé le dépôt de pollen dans les pièges de Tauber modifiés pendant plusieurs années ou décennies à travers les latitudes européennes. Nous présentons ici cet ensemble de données de surveillance composé de 351 emplacements de pièges avec un total de 2742 échantillons annuels couvrant la période de 1981 à 2017. Cet ensemble de données montre que les paramètres climatiques en corrélation avec la latitude déterminent la productivité du pollen. Un signal de couvert forestier régional peut être détecté dans les données, tandis que le couvert forestier local semble plus important. Les pièges à pollen situés au-delà de 200 km de la distribution de l'arbre parent collectent encore occasionnellement des grains de pollen de l'arbre en question. Les PAR allant jusqu'à 30 grains cm−2 ans−1 dans le diagramme fossile doivent donc être interprétés comme un transport sur de longues distances. Les comparaisons avec les données fossiles des mêmes zones montrent des valeurs comparables. Les comparaisons démontrent souvent que des valeurs élevées similaires pour les taxons tempérés dans les sites fossiles se trouvent plus au sud ou en descente. Bien que des situations modernes comparables à des PARITÉS élevées de certains taxons (par exemple Corylus) puissent être difficiles à trouver, la fertilisation par le CO2 et l'utilisation des terres peuvent être des PAR modernes élevés qui ne sont pas documentés dans les archives fossiles. Les données modernes sont maintenant accessibles au public dans la base de données de paléoécologie de Neotoma et, espérons-le, servent à améliorer les interprétations des données sur les PAR fossiles. Resumen. La recopilación de datos polínicos modernos espacialmente extensos es importante para la interpretación de los diagramas polínicos fósiles. Dichos conjuntos de datos están fácilmente disponibles para los datos porcentuales, pero carecen de tasas de acumulación de polen (par). Llenar este vacío ha sido la motivación de la red de monitoreo de polen, cuyos contribuyentes monitorearon la deposición de polen en trampas Tauber modificadas durante varios años o décadas en las latitudes europeas. Aquí presentamos este conjunto de datos de monitoreo que consta de 351 ubicaciones de trampas con un total de 2742 muestras anuales que cubren el período de 1981 a 2017. Este conjunto de datos muestra que los parámetros climáticos que se correlacionan con la latitud determinan la productividad del polen. En los datos se puede detectar una señal de cobertura forestal regional, mientras que la cobertura arbórea local parece más importante. Las trampas de polen situadas más allá de 200 km de la distribución del árbol parental todavía están recolectando granos de polen ocasionales del árbol en cuestión. POR lo tanto, los pares de hasta 30 granos cm−2 años−1 en el diagrama fósil deben interpretarse como transporte de larga distancia. Las comparaciones con los datos fósiles de las mismas áreas muestran valores comparables. Las comparaciones a menudo demuestran que valores altos similares para taxones templados en sitios de fósiles se encuentran más al sur o cuesta abajo. Si bien las situaciones modernas comparables a los altos valores PAR de algunos taxones (por ejemplo, Corylus) pueden ser difíciles de encontrar, la fertilización con CO2 y el uso de la tierra pueden presentar altos valores PAR modernos que no están documentados en el registro fósil. Los datos modernos ahora están disponibles públicamente en la Base de Datos de Paleoecología de Neotoma y se espera que sirvan para mejorar las interpretaciones de los datos PAR fósiles. Abstract. The collection of modern spatially extensive pollen data are important for the interpretation of fossil pollen diagrams. Such datasets are readily available for percentage data but lacking for pollen accumulation rates (PAR). Filling this gap has been the motivation of the pollen monitoring network, whose contributors monitored pollen deposition in modified Tauber-traps for several years or decades across European latitudes. Here we present this monitoring dataset consisting of 351 trap locations with a total of 2742 annual samples covering the period from 1981 to 2017. This dataset shows that climate parameters correlating with latitude determine pollen productivity. A signal of regional forest cover can be detected in the data, while local tree cover seems more important. Pollen traps situated beyond 200 km of the distribution of the parent tree are still collecting occasional pollen grains of the tree in question. PAR's of up to 30 grains cm−2yr−1 in fossil diagram should therefore be interpreted as long distance transport. Comparisons to fossil data from the same areas show comparable values. Comparisons often demonstrate that similar high values for temperate taxa in fossils sites are found further south or downhill. While modern situations comparable to high PAR values of some taxa (e.g. Corylus) may be hard to find, CO2 fertilization and land use may case high modern PAR's that are not documented in the fossil record. The modern data is now publically available in the Neotoma Paleoecology Database and hopefully serves improving interpretations of fossil PAR data. الملخص. يعد جمع بيانات حبوب اللقاح الحديثة واسعة النطاق مكانيًا أمرًا مهمًا لتفسير مخططات حبوب اللقاح الأحفورية. مجموعات البيانات هذه متاحة بسهولة لبيانات النسبة المئوية ولكنها تفتقر إلى معدلات تراكم حبوب اللقاح (PAR). كان سد هذه الفجوة هو الدافع وراء شبكة مراقبة حبوب اللقاح، التي راقب المساهمون فيها ترسب حبوب اللقاح في مصائد تاوبر المعدلة لعدة سنوات أو عقود عبر خطوط العرض الأوروبية. نقدم هنا مجموعة بيانات المراقبة هذه التي تتكون من 351 موقع فخ بإجمالي 2742 عينة سنوية تغطي الفترة من 1981 إلى 2017. توضح مجموعة البيانات هذه أن المعلمات المناخية المرتبطة بخط العرض تحدد إنتاجية حبوب اللقاح. يمكن اكتشاف إشارة إلى الغطاء الحرجي الإقليمي في البيانات، في حين يبدو الغطاء الشجري المحلي أكثر أهمية. لا تزال مصائد حبوب اللقاح الواقعة على بعد 200 كم من توزيع الشجرة الأم تجمع حبوب اللقاح العرضية للشجرة المعنية. لذلك يجب تفسير الأجزاء التي تصل إلى 30 حبة سم− 2 سنة −1 في الرسم البياني الأحفوري على أنها نقل لمسافات طويلة. تُظهر المقارنات بالبيانات الأحفورية من نفس المناطق قيمًا قابلة للمقارنة. غالبًا ما تُظهر المقارنات أن القيم العالية المماثلة للأصناف المعتدلة في مواقع الحفريات توجد في الجنوب أو في المنحدرات. في حين أنه قد يكون من الصعب العثور على حالات حديثة مماثلة للقيم الاسمية العالية لبعض الأصناف (مثل كوريلوس)، فإن تسميد ثاني أكسيد الكربون واستخدام الأراضي قد يؤديان إلى ارتفاع القيم الاسمية الحديثة التي لم يتم توثيقها في السجل الأحفوري. البيانات الحديثة متاحة الآن للجمهور في قاعدة بيانات Neotoma Paleoecology ونأمل أن تخدم تحسين تفسيرات بيانات PAR الأحفورية.

Résumé. La collecte de données modernes sur le pollen spatialement étendues est importante pour l'interprétation des diagrammes de pollen fossile. De tels ensembles de données sont facilement disponibles pour les données en pourcentage, mais manquent pour les taux d'accumulation de pollen (par). Combler cette lacune a été la motivation du réseau de surveillance du pollen, dont les contributeurs ont surveillé le dépôt de pollen dans les pièges de Tauber modifiés pendant plusieurs années ou décennies à travers les latitudes européennes. Nous présentons ici cet ensemble de données de surveillance composé de 351 emplacements de pièges avec un total de 2742 échantillons annuels couvrant la période de 1981 à 2017. Cet ensemble de données montre que les paramètres climatiques en corrélation avec la latitude déterminent la productivité du pollen. Un signal de couvert forestier régional peut être détecté dans les données, tandis que le couvert forestier local semble plus important. Les pièges à pollen situés au-delà de 200 km de la distribution de l'arbre parent collectent encore occasionnellement des grains de pollen de l'arbre en question. Les PAR allant jusqu'à 30 grains cm−2 ans−1 dans le diagramme fossile doivent donc être interprétés comme un transport sur de longues distances. Les comparaisons avec les données fossiles des mêmes zones montrent des valeurs comparables. Les comparaisons démontrent souvent que des valeurs élevées similaires pour les taxons tempérés dans les sites fossiles se trouvent plus au sud ou en descente. Bien que des situations modernes comparables à des PARITÉS élevées de certains taxons (par exemple Corylus) puissent être difficiles à trouver, la fertilisation par le CO2 et l'utilisation des terres peuvent être des PAR modernes élevés qui ne sont pas documentés dans les archives fossiles. Les données modernes sont maintenant accessibles au public dans la base de données de paléoécologie de Neotoma et, espérons-le, servent à améliorer les interprétations des données sur les PAR fossiles. Resumen. La recopilación de datos polínicos modernos espacialmente extensos es importante para la interpretación de los diagramas polínicos fósiles. Dichos conjuntos de datos están fácilmente disponibles para los datos porcentuales, pero carecen de tasas de acumulación de polen (par). Llenar este vacío ha sido la motivación de la red de monitoreo de polen, cuyos contribuyentes monitorearon la deposición de polen en trampas Tauber modificadas durante varios años o décadas en las latitudes europeas. Aquí presentamos este conjunto de datos de monitoreo que consta de 351 ubicaciones de trampas con un total de 2742 muestras anuales que cubren el período de 1981 a 2017. Este conjunto de datos muestra que los parámetros climáticos que se correlacionan con la latitud determinan la productividad del polen. En los datos se puede detectar una señal de cobertura forestal regional, mientras que la cobertura arbórea local parece más importante. Las trampas de polen situadas más allá de 200 km de la distribución del árbol parental todavía están recolectando granos de polen ocasionales del árbol en cuestión. POR lo tanto, los pares de hasta 30 granos cm−2 años−1 en el diagrama fósil deben interpretarse como transporte de larga distancia. Las comparaciones con los datos fósiles de las mismas áreas muestran valores comparables. Las comparaciones a menudo demuestran que valores altos similares para taxones templados en sitios de fósiles se encuentran más al sur o cuesta abajo. Si bien las situaciones modernas comparables a los altos valores PAR de algunos taxones (por ejemplo, Corylus) pueden ser difíciles de encontrar, la fertilización con CO2 y el uso de la tierra pueden presentar altos valores PAR modernos que no están documentados en el registro fósil. Los datos modernos ahora están disponibles públicamente en la Base de Datos de Paleoecología de Neotoma y se espera que sirvan para mejorar las interpretaciones de los datos PAR fósiles. Abstract. The collection of modern spatially extensive pollen data are important for the interpretation of fossil pollen diagrams. Such datasets are readily available for percentage data but lacking for pollen accumulation rates (PAR). Filling this gap has been the motivation of the pollen monitoring network, whose contributors monitored pollen deposition in modified Tauber-traps for several years or decades across European latitudes. Here we present this monitoring dataset consisting of 351 trap locations with a total of 2742 annual samples covering the period from 1981 to 2017. This dataset shows that climate parameters correlating with latitude determine pollen productivity. A signal of regional forest cover can be detected in the data, while local tree cover seems more important. Pollen traps situated beyond 200 km of the distribution of the parent tree are still collecting occasional pollen grains of the tree in question. PAR's of up to 30 grains cm−2yr−1 in fossil diagram should therefore be interpreted as long distance transport. Comparisons to fossil data from the same areas show comparable values. Comparisons often demonstrate that similar high values for temperate taxa in fossils sites are found further south or downhill. While modern situations comparable to high PAR values of some taxa (e.g. Corylus) may be hard to find, CO2 fertilization and land use may case high modern PAR's that are not documented in the fossil record. The modern data is now publically available in the Neotoma Paleoecology Database and hopefully serves improving interpretations of fossil PAR data. الملخص. يعد جمع بيانات حبوب اللقاح الحديثة واسعة النطاق مكانيًا أمرًا مهمًا لتفسير مخططات حبوب اللقاح الأحفورية. مجموعات البيانات هذه متاحة بسهولة لبيانات النسبة المئوية ولكنها تفتقر إلى معدلات تراكم حبوب اللقاح (PAR). كان سد هذه الفجوة هو الدافع وراء شبكة مراقبة حبوب اللقاح، التي راقب المساهمون فيها ترسب حبوب اللقاح في مصائد تاوبر المعدلة لعدة سنوات أو عقود عبر خطوط العرض الأوروبية. نقدم هنا مجموعة بيانات المراقبة هذه التي تتكون من 351 موقع فخ بإجمالي 2742 عينة سنوية تغطي الفترة من 1981 إلى 2017. توضح مجموعة البيانات هذه أن المعلمات المناخية المرتبطة بخط العرض تحدد إنتاجية حبوب اللقاح. يمكن اكتشاف إشارة إلى الغطاء الحرجي الإقليمي في البيانات، في حين يبدو الغطاء الشجري المحلي أكثر أهمية. لا تزال مصائد حبوب اللقاح الواقعة على بعد 200 كم من توزيع الشجرة الأم تجمع حبوب اللقاح العرضية للشجرة المعنية. لذلك يجب تفسير الأجزاء التي تصل إلى 30 حبة سم− 2 سنة −1 في الرسم البياني الأحفوري على أنها نقل لمسافات طويلة. تُظهر المقارنات بالبيانات الأحفورية من نفس المناطق قيمًا قابلة للمقارنة. غالبًا ما تُظهر المقارنات أن القيم العالية المماثلة للأصناف المعتدلة في مواقع الحفريات توجد في الجنوب أو في المنحدرات. في حين أنه قد يكون من الصعب العثور على حالات حديثة مماثلة للقيم الاسمية العالية لبعض الأصناف (مثل كوريلوس)، فإن تسميد ثاني أكسيد الكربون واستخدام الأراضي قد يؤديان إلى ارتفاع القيم الاسمية الحديثة التي لم يتم توثيقها في السجل الأحفوري. البيانات الحديثة متاحة الآن للجمهور في قاعدة بيانات Neotoma Paleoecology ونأمل أن تخدم تحسين تفسيرات بيانات PAR الأحفورية.