Modelagem do espectro de tamanho para macroinvertebrados e peixes em ecossistemas de fluxo

Summary

Este é um protocolo para modelar o espectro de tamanho (relação de dimensionamento entre massa individual e densidade populacional) para os dados combinados de peixes e invertebrados de córregos e rios wadable. Os métodos incluem: técnicas de campo para coletar amostras quantitativas de peixes e invertebrados; métodos de laboratório para padronizar os dados de campo; e análise estatística dos dados.

Abstract

O espectro de tamanho é uma relação de escala inversa, alométrica entre a massa corporal média (M) e a densidade (D) de indivíduos dentro de uma comunidade ecológica ou Web de alimentos. É importante ressaltar que o espectro de tamanho assume que o tamanho individual, em vez das características comportamentais ou de história de vida da espécie, é o principal determinante da abundância dentro de um ecossistema. Assim, diferentemente das relações alométricas tradicionais que se concentram em dados de nível de espécie (por exemplo, tamanho do corpo da espécie média versus densidade populacional), as análises de espectros de tamanho são ‘ ataxic ‘ – espécimes individuais são identificados apenas pelo seu tamanho, sem consideração de identidade taxonômica. Os modelos de espectros de tamanho são representações eficientes de teias alimentares tradicionais e complexas e podem ser usados em contextos descritivos, bem como preditivos (por exemplo, prever respostas de grandes consumidores a mudanças nos recursos basais). Estudos empíricos de diversos ecossistemas aquáticos também relataram níveis moderados a altos de similaridade em inclinações de espectros de tamanho, sugerindo que processos comuns podem regular as abundâncias de pequenos e grandes organismos em ambientes muito diferentes. Este é um protocolo para modelar o espectro de tamanho de nível comunitário em fluxos wadable. O protocolo consiste em três etapas principais. Em primeiro lugar, coletar amostras de peixes e invertebrados bentônicos quantitativos que podem ser usados para estimar densidades locais. Em segundo lugar, padronizar os dados de peixes e invertebrados, convertendo todos os indivíduos em unidades atáxicas (i.e., indivíduos identificados por tamanho, independentemente da identidade taxonômica), e somando indivíduos dentro de silos de tamanho de log₂ . Em terceiro lugar, use a regressão linear para modelar a relação entre as estimativas de M e D ataxic. Instruções detalhadas são fornecidas neste documento para concluir cada uma dessas etapas, incluindo software personalizado para facilitar a modelagem de espectros de estimativa e tamanho D .

Introduction

As relações de dimensionamento do tamanho do corpo, como a associação positiva entre a massa corporal e a taxa metabólica, são bem conhecidas no nível do organismo individual e agora estão sendo estudadas em níveis mais elevados de organização^1,2,3 . Essas relações alométricas são, na maioria das vezes, funções de poder-lei da forma y = am^b, onde y é a variável de interesse (por exemplo, metabolismo, abundância, ou tamanho do intervalo de casa), M é a massa corporal de uma única ou média individual, b é um coeficiente de dimensionamento e a é uma constante. Para conveniência estatística, os dados Y e M são muitas vezes transformados em log antes da análise, em seguida, modelado com equações lineares do formulário log (y) = log (a) + b log (M), onde b e log ( a) tornar-se a inclinação do modelo linear e interceptar, respectivamente.

O espectro de tamanho é um tipo de relação alométrica que prevê a densidade (D, o número de indivíduos por unidade de área) ou biomassa (B, a massa somada de indivíduos por unidade de área) em função de M (ver seção 4 para adicional informações sobre o uso de estimativas de D ou B “normalizadas”.) Como outras relações de dimensionamento entre m e D ou entre m e B, o espectro de tamanho desempenha um papel central na ecologia básica e aplicada. A nível populacional, os biólogos frequentemente interpretam relações negativas de D M como evidência de sobrevivência dependente de densidade ou como modelos de capacidade de transporte do ecossistema (ou seja, a “regra de autodiluição”)^4, a ⁵. A nível comunitário, as relações B M podem ser utilizadas para estudar os efeitos de nível de sistema de perturbações antropogênicas, como a pesca de tamanho seletivo^6,7. O dimensionamento alométrico de D e B com M também é fundamental para esforços recentes para unir a ecologia populacional, comunitária e ecossistêmica^2,8,9.  

Uma característica particularmente importante do espectro de tamanho é o fato de que é inteiramente ataxic^9,10. Este ponto é fácil de perder ao comparar gráficos de dispersão de dados de D m ou B m , mas a distinção entre os modelos taxic e ataxic é uma crítica. Em modelos taxic, um único valor de M é usado para representar a massa corporal média de cada indivíduo de uma determinada espécie ou táxons¹¹. Em modelos ataxic, todos os indivíduos dentro de um conjunto de dados são particionados entre uma série de intervalos de tamanho de corpo ou M Bins, independentemente de sua identidade taxonômica¹². Este último, abordagem atáxica é vantajoso em ecossistemas aquáticos onde muitos táxons exibem um crescimento indeterminado e experimentam uma ou mais mudanças ontogenéticas no comportamento alimentar; nesses casos, uma única média de M de nível de espécie irá obscurecer o fato de que uma espécie pode preencher diferentes papéis funcionais ao longo de sua história de vida^9,13,14. 

Aqui, nós apresentamos um protocolo completo para quantificar o espectro do tamanho dentro dos córregos e dos rios wadable. O protocolo começa com métodos de amostragem de campo para coletar os peixes necessários e os dados de macroinvertebrados bentônicos. Os peixes serão recolhidos através de um processo de amostragem de “depleção de três passagens”. A abundância será então estimada a partir dos dados de depleção com o método Zippin¹⁵. Na amostragem de depleção, os peixes individuais dentro de um alcance de estudo fechado (ou seja, os indivíduos não podem entrar nem deixar o alcance fechado) são removidos do alcance através de três amostras sucessivas. Assim, o número de peixes remanescentes será progressivamente esgotado. A partir dessa tendência de depleção, a abundância total dentro do alcance do estudo pode ser estimada em seguida, convertida em D (em peixes por m²), usando a área de superfície conhecida do alcance do estudo. Os macroinvertebrados bentônicos serão coletados com amostradores de área fixa padrão, então identificados e medidos em laboratório.

Em seguida, os dados combinados de peixes e macroinvertebrados serão divididos entre as caixas de tamanho. Tradicionalmente, a escala de oitava ou log₂ (ou seja, intervalos de duplicação) foi usada para definir os limites do compartimento de tamanho¹⁶. Uma vez estabelecida uma lista de compartimentos de tamanho, o particionamento de macroinvertebrados bentônicos individuais entre seus respectivos compartimentos de tamanho é simples porque os invertebrados são diretamente enumerados como números de indivíduos por unidade de área. No entanto, estimar as abundâncias de peixes dentro das caixas de tamanho é mais abstrata, pois essas estimativas são inferidas dos dados de depleção. Portanto, são fornecidas instruções detalhadas para estimar a abundância de peixes dentro de compartimentos de tamanho, independentemente da identidade taxonômica, de dados de amostra de depleção.

Finalmente, a regressão linear será usada para modelar o espectro de tamanho. Este protocolo é inteiramente compatível com o método original, geral de Kerr e Dickie¹⁶ e idêntico aos métodos usados por McGarvey e por Kirk, 2018¹⁷ em um estudo de espectros do tamanho dos peixes e do invertebrados em córregos de Virgínia Ocidental. Usando este protocolo, os investigadores podem segurar que seus resultados são diretamente comparáveis com outros estudos que constroem em cima de Kerr e Dickie¹⁶, acelerando desse modo uma compreensão larga e robusta do tamanho de corpo que escala relacionamentos na água doce ecossistemas e os mecanismos que os conduzem.

Protocol

Todos os métodos descritos aqui foram aprovados pelo Comitê institucional de cuidados e uso de animais (IACUC) da Virginia Commonwealth University. 1. recolha e processamento de amostras de peixe Isolando os peixes dentro do alcance do estudo para criar uma Assembléia de peixes fechados Identifique o ascendente e a jusante (a direção é relativa a um topógrafo que enfrenta “upstream” e contra a corrente de água) extremidades do alcan…

Representative Results

Resultados exemplar, incluindo dados de campo originais, são apresentados para Slaunch Fork, Virgínia Ocidental, um pequeno riacho no sul da Virgínia Ocidental. Os resultados do modelo de espectros de tamanho adicional também são apresentados para outros dois córregos na mesma região: Camp Creek e Cabin Creek, Virgínia Ocidental. Estes são os três locais de estudo incluídos em McGarvey e Kirk17, mas os dados apresentados aqui são de novas amostras coletadas em maio 2015. Um exemplo tot…

Discussion

Este protocolo de espectros de tamanho atáxico pode ser usado para quantificar e modelar a estrutura de tamanho dentro das comunidades de peixes e invertebrados de fluxo. Os estudos de espectros de tamanho prévio em ecossistemas de fluxo variaram de pesquisa descritiva básica^39,40 a comparações ao longo de um perfil longitudinal do Rio⁴¹ e entre distintas regiões biogeográficas⁴². Comparações sazonais foram…

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.