Climate Change Effects on The Distribution of Turkish Salix Species

Abstract

Increasing energy demands and necessity to reduce the greenhouse gas emissions are key factors driving the understanding climate change effects on woody plants. Given the pace of climate change, the question is raised whether Salix trees and shrubs as bioenergy crops will be able to adapt to the future environmental conditions in Turkey. We select willows as study species because they are expected to expand their range in Turkey under drier and warmer climatic conditions from high latitude and wet areas. And also, selecting willow shrub and tree samples will provide data for the basic bioenergy research in the long run. Thus, our objective is to determine possible climate change observation area in Turkey according to the expected effects of climate change and possible scenarios on Turkish willows as economically valuable bioenergy crops. Two hundred and fourteen willow individuals were collected from all Turkey. The habitats of Turkish willows are generally from riparian areas and high wetlands. One willow map is created by using the locations of Turkish Salix species from field studies. Following this approach, we aim to evaluate and compare the approaches of latitudinal migration by constructing new possible stations in the suitable habitats due to the results of models. We used MAXENT algorithm to have preliminary predictions on the distribution of the species and its range shifts. This study provides the first results of species distribution modeling results of Turkish Salix species. Selection of the localities was done based on the habitat suitability coefficients which gives a probability ranging from 0 to 1. Results showed that Ilgaz Mountains (Kastamonu) and Artvin and Erzurum province (Eastern Black Sea region) are observed to have available habitats for Turkish Salix species area in terms of bioclimatic suitability.

Keywords

• Willows
• Turkey
• climate change
• species distribution models
• MAXEN

İklim Değişikliğinin Türkiye Salix Tür Dağılımına Etkileri

Öz

Artan enerji talepleri ve sera gazı emisyonlarını azaltma zorunluluğu, odunsu bitkiler üzerinde iklim değişikliğinin anlaşılmasına neden olan temel faktörlerdir. İklim değişikliğinin hızına bakıldığında, biyoenerji bitkileri olarak Salix ağaç ve çalılarının gelecek Türkiye çevresel koşullara uyum sağlayıp sağlayamayacakları sorusu gündeme gelmektedir. Söğütleri çalışma türü olarak seçiyoruz çünkü Türkiye’de yüksek enlem ve sulak alanlardan daha kurak ve ılıman iklim koşullara yayılışlarını genişletmeleri beklenmektedir. Ayrıca, söğüt çalıları ve ağaç örneklerinin seçilmesi uzun vadede temel biyoenerji araştırmaları için veri sağlayacaktır. Bu nedenle hedefimiz, iklim değişikliğinin beklenen etkilerine göre Türkiye’deki muhtemel iklim değişikliği gözlem alanını ve olası senaryoları, ekonomik olarak değerli biyoenerji bitkileri olan Türkiye Söğütleri üzerine belirlemektir. Tüm Türkiye’den 214 söğüt bireyi toplanmıştır. Türkiye Söğütlerinin habitatları genellikle nehir kıyısındaki bölgeler ve yüksek sulak alanlardır. Saha çalışmalarıyla elde edilen Türkiye Salix türlerinin lokasyonları kullanılarak bir Söğüt haritası oluşturulmuştur. Bu şekilde, model sonuçlarına uygun habitatlarda yeni olası istasyonlar inşa ederek, enlemesine yer değiştirme (göç) yaklaşımlarını değerlendirmeyi ve karşılaştırmayı hedefliyoruz. MAXENT algoritmasını türlerin dağılımı ve değişim aralıklarını ön tahminleri için kullandık. Bu çalışma, Türkiye Salix türlerinin tür dağılım modelleme sonuçlarını sunan ilk çalışmadır. Bölgelerin seçimi, 0 ile 1 arasında bir olasılık veren habitat uygunluk katsayılarına göre yapılmıştır. Sonuçlar göre Ilgaz Dağları (Kastamonu) ve Artvin-Erzurum alanının (Doğu Karadeniz Bölgesi) biyoklimatik olarak Türkiye Salix türlerine uygun habitatlar olduğu gözlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Söğütler
• Türkiye
• iklim değişikliği
• tür dağılım modelleri
• MAXEN

References

1. Acar, P., 2017. Molecular phylogenetics of Turkish Salix L. species (PhD thesis). Middle East Technical University, Ankara, Turkey.
2. Akgül, S., K. Tunçtaner, 2011. Selection of suitable willow clones for biomass production and growing techniques in Turkey, in: Tercer Congreso Internacional de Salicáceas en Argentina, Neuquén, Argentina.
3. Creutzig, F., N.H. Ravindranath, G. Berndes, S., Bolwig, R., Bright, F. Cherubini, H. Chum, E. Corbera, M. Delucchi, A. Faaij, J. Fargione, H. Haberl, G. Heath, O. Lucon, R. Plevin, A. Popp, C. Robledo-Abad, S. Rose, P. Smith, A. Stromman, S. Suh, O. Maser, 2015. Bioenergy and climate change mitigation: an assessment. GCB Bioenergy 7:916-944.
4. Degirmenci, F.O., P. Acar, Z. Kaya, 2019. Consequences of habitat fragmentation on genetic diversity and structure of Salix alba L. populations in two major river systems of Turkey. Tree Genet Genomes 15:59.
5. Demircan, M., H. Gürkan, O. Eskioğlu, H. Arabacı, M. Coşkun, 2017. Climate change projections for Turkey: Three models and two scenarios. Turkish Journal of Water Science and Management, 1(1):22-43.
6. Eriksson, T., T. Johansson, 2006. Effects of rotation period on biomass production and atmospheric CO₂ emissions from broadleaved stands growing on abandoned farmland. Silva Fennica, 40:603e13.
7. Evlard, A., P. Druart, G. Collinet, 2014. Using Salix spp. in phyto stabilization of metal pollution in soils: an example of phytoremediation appropriate to the brownfields of Wallonia. Poster in: 19. National Symposium on Applied Biological Sciences. Gembloux. Belgium.
8. Fujimura, K.E., K.N. Egger, G.H.R. Henry, 2008. The effect of experimental warming on the root-associated fungal community of Salix arctica. The ISME Journal, 2, 105-114.

9. IPCC, 2001. Third assessment report, the scientific basis. Intergovernmental panel on Climate Change, Cambridge University Press.
10. IPCC, 2013. Definition of terms used within the DDC Pages, (http://www.ipcc-data.org/ guidelines/pages/definitions.html; Retrieved: November 2019).
11. Kaya, Z., D.J. Raynal, 2001. Biodiversity and conservation of Turkish forest. Biol. Conserv. 97(2): 131-141.
12. Mahdi, J.G., A.J. Mahdi, I.D. Bowen, 2006. The historical analysis of aspirin discovery, its relation to the willow tree and antiproliferative and anticancer potential. Cell Proliferation Journal (Cell Prolif.), 39:147-155.
13. Nathaniel, E., T.G. Seavy, H. Gregory, F. Golet, 2009. Why climate change makes riparian restoration more important than ever: recommendations for practice and research. Ecological Restoration 27(3).
14. Phillips, S.J., M. Dudik, R.E. Schapire, 2004. A maximum entropy approach to species distribution modeling. Twenty-first International Conference on Machine Learning -ICML 04.
15. Pulford, I.D., C. Watson, 2003. Phytoremediation of heavy metal-contaminated land by trees a review. Elsevier, Environment International, 529-540.
16. R Core Team, 2018. R: A language and environment for statistical computing (https:// www.r-project.org; Retrieved: November 2019).
17. Serrat-Capdevila, A., J.B. Valde’s, J.G. Pe'rez, K. Baird, L.J. Mata, 2007. Thomas Maddock, Modeling climate change impacts and uncertainty on the hydrology of a riparian system: The San Pedro Basin, Arizona/Sonora. Journal of Hydrology, 347:48-66.
18. Silvola, J., U. Ahiholm, 1993. Copenhagen 1993 Effects of CO₂ concentration and nutrient status on growth, growth rhythm and biomass partitioning in a willow, Salix phylicifolia. OIKOS 67: 227-234.
19. Skvortsov, A.K., 1999. Willows of Russia and adjacent countries: Taxonomical and Geographical Revision (transl from: Skvortsov AK (1968) Willows of the USSR: Taxonomic and Geographic Revision. Nauka, Moscow), ed: Zinovjev, A.G., Argus, G.W., Tahvanainen, J., Roininen, H., Joensuu University, Joensuu, 307.
20. Şen, Ö.L., 2013. A holistic view of climate change and its impacts in Turkey, Istanbul: Istanbul Policy Center Sabanci University Stiftung Mercator Initiative, (http://ipc.sabanci univ.edu/en/wp-content/uploads/2012/09/a-holistic-view-of-climate-change-and-its-impacts-in-turkey.pdf).
21. Tegelberg, R., R. Julkunen-Tiitto, 2001. Quantitative changes in secondary metabolites of dark-leaved willow (Salix myrsinifolia) exposed to enhanced Ultraviolet-B radiation. Physiologia Plantarum 113:541-547.
22. Terzioğlu, S., K. Coşkunçelebi, B. Serdar, 2007. Contribution to the description of an endemic Turkish Salix species, Plant Biosystems, 141(1):82-85.
23. Usta Baykal, N., 2017. Determining potential niche competition regions between Kazdagı fir (Abies nordmanniana subsp. equi-trojani) & Anatolian black pine (Pinus nigra subsp. pallasiana) and conservatıon priority areas under climate change by using maxent algorithm (Master thesis). Middle East Technical University, Ankara, Turkey.
24. Vermerris, W., 2008. Genetic improvement of bioenergy crops. Springer, pp:347-362.
25. Wu, J., T. Nyman, D. Wang, G.W. Argus, Y. Yang, J. Chen, 2015. Phylogeny of Salix subgenus Salix s.l. (Salicaceae): delimitation biogeography and reticulate evolution. BMC Evolutionary Biology, 15:31
26. Zielinski, J., D. Tomaszevski, 2007. Salix anatolica (Salicaceae), a new species from Turkey. Annual Botany, Fennici, 45:386-388.