Modellazione dello spettro delle dimensioni per macroinvertebrati e pesci negli ecosistemi di flusso

Summary

Questo è un protocollo per modellare lo spettro delle dimensioni (relazione di ridimensionamento tra massa individuale e densità di popolazione) per i pesci combinati e i dati invertebrati provenienti da corsi d’acqua e fiumi guadolabili. I metodi includono: tecniche sul campo per raccogliere campioni quantitativi di pesci e invertebrati; metodi di laboratorio per standardizzare i dati di campo; e l’analisi statistica dei dati.

Abstract

Lo spettro delle dimensioni è una relazione di scala inversa e allometrica tra la massa corporea media (M) e la densità (D) degli individui all’interno di una comunità ecologica o di una rete alimentare. È importante sottolineare che lo spettro delle dimensioni presuppone che la dimensione individuale, piuttosto che le caratteristiche comportamentali o di storia della vita delle specie, sia il principale determinante dell’abbondanza all’interno di un ecosistema. Così, a differenza delle tradizionali relazioni allometriche che si concentrano sui dati a livello di specie (ad esempio, la dimensione corporea delle specie medie rispetto alla densità della popolazione), le analisi degli spettri di dimensioni sono “ataxiche”: i singoli esemplari sono identificati solo dalle loro dimensioni, senza considerare la loro identità tassonomica. I modelli di spettri di dimensione sono rappresentazioni efficienti di web alimentari tradizionali e complesse e possono essere utilizzati in contesti descrittivi e predittivi (ad esempio, prevedere le risposte dei grandi consumatori ai cambiamenti nelle risorse basali). Studi empirici provenienti da diversi ecosistemi acquatici hanno anche segnalato livelli da moderati ad alti di somiglianza nei pendii degli spettri di dimensioni, suggerendo che i processi comuni possono regolare l’abbondanza di organismi piccoli e grandi in contesti molto diversi. Questo è un protocollo per modellare lo spettro delle dimensioni a livello di comunità in flussi guadibili. Il protocollo è costituito da tre passaggi principali. In primo luogo, raccogliere campioni quantitativi di pesci benthici e invertebrati che possono essere utilizzati per stimare le densità locali. In secondo luogo, standardizzare i dati relativi ai pesci e agli invertebrati convertendo tutti gli individui in unità atassiche (cioè individui identificati per dimensione, indipendentemente dall’identità tassonomica) e sommando gli individui all’interno di contenitori di dimensioni log 2. In terzo luogo, utilizzare la regressione lineare per modellare la relazione tra le stime ataxic M e D. Istruzioni dettagliate sono fornite qui per completare ciascuno di questi passaggi, tra cui software personalizzato per facilitare la stima D e la modellazione degli spettri di dimensioni.

Introduction

Le relazioni di scala delle dimensioni del corpo, come l’associazione positiva tra la massa corporea e il tasso metabolico, sono ben note a livello di singolo organismo e sono ora studiate a livelli più elevati di organizzazione^1,2,3 . Queste relazioni allometriche sono più spesso funzioni di diritto-potere della forma Y – aM^b, dove Y è la variabile di interesse (ad esempio, metabolismo, abbondanza o dimensione della gamma domestica), M è la massa corporea di un singolo o medio individual, b è un coefficiente di scala e a è una costante. Per comodità statistica, i dati Y e M sono spesso trasformati in registro prima dell’analisi, quindi modellati con equazioni lineari del log del modulo (Y) , log (a ) e registro b (M), dove b e log ( a) diventano rispettivamente la pendenza e l’intercettazione del modello lineare.

Lo spettro delle dimensioni è un tipo di relazione allometrica che prevede la densità (D, il numero di individui per unità di superficie) o biomassa (B, la massa sommata di individui per unità di area) in funzione di M (vedere la sezione 4 per ulteriori informazioni sull’uso di stime “normalizzate” di D o B.) Come altre relazioni di ridimensionamento tra M e D o tra M e B, lo spettro delle dimensioni svolge un ruolo centrale nell’ecologia di base e applicata. A livello di popolazione, i biologi spesso interpretano le relazioni D M negative come prova della sopravvivenza dipendente dalla densità o come modelli di capacità di trasporto dell’ecosistema (cioè la “regola di auto-sottilezione”)^{4, 5}. A livello di comunità, le relazioni B M possono essere utilizzate per studiare gli effetti a livello di sistema delle perturbazioni antropogeniche, come la pesca selettiva delle dimensioni^6,7. La scala allometrica di D e B con M sono anche al centro dei recenti sforzi per unire l’ecologia della popolazione, della comunità e dell’ecosistema^2,8,9.  

Una caratteristica particolarmente importante dello spettro di dimensioni è il fatto che è interamente ataxic^9,10. Questo punto è facile da perdere quando si confrontano grafici scatter di dati D M o B M, ma la distinzione tra modelli taxie e atassici è fondamentale. Nei modelli di taxi, un singolo valore M viene utilizzato per rappresentare la massa corporea media di ogni individuo di una data specie o taxa¹¹. Nei modelli atassici, tutti gli individui all’interno di un set di dati sono partizionati tra una serie di intervalli di dimensioni del corpo o contenitori M, indipendentemente dalla loro identità tassonomica¹². Quest’ultimo approccio atassico è vantaggioso negli ecosistemi acquatici in cui molti taxa mostrano una crescita indeterminata e sperimentano uno o più cambiamenti ontogenetici nel comportamento alimentare; in questi casi, una singola media M a livello di specie oscurerà il fatto che una specie può ricoprire diversi ruoli funzionali nel corso della sua storia di vita^9,13,14. 

Qui, presentiamo un protocollo completo per quantificare lo spettro delle dimensioni all’interno di corsi d’acqua guachetabili e fiumi. Il protocollo inizia con i metodi di campionamento sul campo per raccogliere i pesci necessari e i dati macroinvertebrati bentici. I pesci saranno raccolti attraverso un processo di campionamento “esaurimento a tre passaggi”. L’abbondanza sarà quindi stimata dai dati di esaurimento con il metodo¹⁵. Nel campionamento di esaurimento, i singoli pesci entro una portata di studio chiusa (cioè, gli individui non possono entrare né uscire dalla portata chiusa) vengono rimossi dalla portata attraverso tre campioni successivi. Pertanto, il numero di pesci rimanenti si esaurirà progressivamente. Da questa tendenza di esaurimento, l’abbondanza totale all’interno della portata dello studio può essere stimata poi convertito in D (nel pesce per m²), utilizzando la superficie nota della portata dello studio. I macroinvertebrati bentici saranno raccolti con campionatori di area fissa standard, quindi identificati e misurati in laboratorio.

Successivamente, i dati combinati di pesci e macroinvertebrati saranno partizionati tra i contenitori di dimensioni. Tradizionalmente, l’ottava o la scala del log₂ (cioè gli intervalli di raddoppio) è stata utilizzata per impostare i limiti del contenitore di dimensioni¹⁶. Una volta stabilito un elenco di contenitori di dimensioni, il partizionamento dei singoli macroinvertebrati bentici tra i rispettivi contenitori di dimensioni è semplice perché gli invertebrati sono direttamente enumerati come numero di individui per area unitaria. Tuttavia, la stima dell’abbondanza di pesce all’interno dei bidoni di dimensioni è più astratta perché queste stime vengono dedotte dai dati di esaurimento. Vengono quindi fornite istruzioni dettagliate per stimare l’abbondanza di pesce all’interno dei contenitori di dimensioni, indipendentemente dall’identità tassonomica, dai dati del campione di esaurimento.

Infine, la regressione lineare verrà utilizzata per modellare lo spettro delle dimensioni. Questo protocollo è pienamente compatibile con il metodo originale e generale di Kerr e Dickie¹⁶ ed identico ai metodi utilizzati da McGarvey e Kirk, 2018¹⁷ in uno studio degli spettri di dimensioni dei pesci e degli invertebrati nei corsi d’acqua della Virginia Occidentale. Utilizzando questo protocollo, i ricercatori possono assicurarsi che i loro risultati siano direttamente comparabili con altri studi che si basano su Kerr e Dickie¹⁶, accelerando così una comprensione ampia e solida delle relazioni di ridimensionamento delle dimensioni del corpo in acqua dolce ecosistemi e i meccanismi che li guidano.

Protocol

Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l’uso degli animali (IACUC) della Virginia Commonwealth University. 1. Raccolta e trattamento di campioni di pesce Isolare i pesci all’interno dello studio raggiungono la creazione di un assemblaggio di pesci chiusi Identificare le estremità a monte e a valle (direzione rispetto a un geometra rivolto verso “a monte” e contro la corrente d’acqua) dell…

Representative Results

Risultati esemplari, compresi i dati originali sul campo, sono presentati per Slaunch Fork, Virginia Occidentale, un piccolo ruscello nel sud della Virginia Occidentale. Ulteriori risultati del modello di spettri di dimensioni sono presentati anche per altri due corsi d’acqua nella stessa regione: Camp Creek e Cabin Creek, West Virginia. Questi sono i tre siti di studio inclusi in McGarvey e Kirk17, ma i dati presentati qui sono da nuovi campioni raccolti nel maggio 2015. Un esempio manuale comple…

Discussion

Questo protocollo spettrale di dimensioni atassiche può essere utilizzato per quantificare e modellare la struttura delle dimensioni all’interno di comunità di pesci di flusso e invertebrati. Precedenti studi sugli spettri di dimensioni negli ecosistemi dei corsi d’acqua hanno spaziato dalla ricerca descrittiva di base^39,40 ai confronti lungo un profilo longitudinale del fiume⁴¹ e tra regioni biogeografiche distinte^42</…

Materials

Chest waders	Multiple options	n/a	Personal protective equipment for use during electrofishing. Do NOT use 'breatheable' waders as electrical current will pass through them.
Rubber lineman's gloves	Multiple options	n/a	Personal protective equipment for use during electrofishing.
Dip nets with fiberglass poles	Multiple options	n/a	Used to capture stunned fishes during electrofishing.
Backpack electrofishing unit	Smith-Root; Halltech; Midwest Lake Management; Aqua Shock Solutions	www.smith-root.com; www.halltechaquatic.com; https://midwestlake.com; https://aquashocksolutions.com/	Backpack electrofishers are currently manufactured and distributed by four independent companies in North America. Prices and warranty/technical support are the most important factors in choosing a vendor.
Block nets/seines (×2)	Duluth Nets	https://duluthfishnets.com/	Necessary length will depend on stream width. 3/8 inch mesh is recommended.
Cam-action utility straps with 1 inch nylon webbing (×4)	Multiple options	n/a	Used to secure/anchor block nets. Available at auto supply, hardware, and department stores.
Large tent stakes (×4)	Multiple options	n/a	Used to secure/anchor block nets. Available at camping and department stores.
5 gallon plastic buckets (×5)	Multiple options	n/a	Used to hold and transport fish during electrofishing. Available at hardware and paint supply stores.
10-20 gallon totes (×3)	Multiple options	n/a	Used as livewells, sedation tanks, and recovery bins for captured fishes. Available at hardware and department stores.
Battery powered 'bait bucket' aeration pumps	Cabelas	IK-019008	Used to aerate fish holding bins during field processing.
Fish anesthesia (Tricaine-S)	Syndel	www.syndel.com	Used to sedate fishes for field processing. Tricaine-S is regulated by the U.S. Food and Drug Administration.
Folding camp table and chairs	Cabelas	IK-518976; IK-552777	Used to process fish samples.
Pop-up canopy	Multiple options	n/a	Used as necessary for sun and rain protection.
Fish measuring board	Wildco	3-118-E40	Used to measure fish lengths.
Battery powered field scale with weighing dish	Multiple options	n/a	Used to weigh fishes. Must weigh be accurate to 0.1 or 0.01 grams.
Clear plastic wind/rain baffle	Multiple options	n/a	Used to shield scale in rainy or windy conditions. Must be large enough to cover the scale and a weighing dish.
White plastic or enamel examination trays	Multiple options	n/a	Trays are essential for examining fishes in the field.
Stainless steel forceps	Multiple options	n/a	Forceps are helpful when examining small fishes and in transfering invertebrates to specimen jars.
Hand magnifiers	Multiple options	n/a	Magnification is often helpful when identifying fish specimens in the field.
Fish identification keys	n/a	n/a	Laminated keys that are custom prepared for specific locations are most effective.
Datasheets printed on waterproof paper	Rite in the Rain	n/a	Waterproof paper is essential when working with aquatic specimens.
Retractable fiberglass field tapes	Lufkin	n/a	Used to measure stream channel dimensions.
Surber sampler or Hess sampler	Wildco	3-12-D56; 3-16-C52	Either of these fixed-area benthic samplers will work well in shallow streams with gravel or pebble substrate.
70% ethanol or isopropyl alcohol	Multiple options	n/a	Used as invertebrate preservative.
Widemouth invertebrate specimen jars (20-32 oz.)	U.S. Plastic Corp.	67712	Any widemouth plastic jars will work but these particular jars are durable and inexpensive.