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Ambiente

河川生態系におけるマクロ無脊椎動物と魚類のサイズスペクトルのモデリング

Published: July 30, 2019
doi:
10.3791/59945
, ,
1Center for Environmental Studies,Virginia Commonwealth University, 2Department of Ecology and Evolutionary Biology,University of Tennessee, 3Department of Environmental Quality

Summary

これは、魚と無脊椎動物のデータを組み合わせた大きさスペクトル(個々の質量と人口密度のスケーリング関係)をモデル化するプロトコルです。方法は次のとおりです: 定量的な魚や無脊椎動物のサンプルを収集するフィールドテクニック;フィールド データを標準化するラボ メソッド。と統計データ分析。

Abstract

サイズスペクトルは、平均体重(M)と生態学的コミュニティまたは食物網内の個人の密度(D)との間の逆の同種スケーリング関係である。重要なのは、サイズスペクトルは、種の行動や生命の歴史特性ではなく、個々のサイズが生態系内の豊かさの主要な決定要因であると仮定します。したがって、種レベルのデータに焦点を当てた従来の同種関係(例えば、平均種の体の大きさと人口密度)とは異なり、サイズスペクトル分析は「アタキシック」であり、個々の標本は、そのサイズによってのみ識別される。分類のアイデンティティ。サイズスペクトルモデルは、従来の複雑な食品ウェブの効率的な表現であり、説明的な文脈や予測コンテキスト(例えば、基底資源の変化に対する大規模な消費者の反応を予測する)で使用することができます。多様な水生生態系からの実証研究はまた、サイズスペクトル斜面の類似性が中程度から高いレベルであると報告されており、一般的なプロセスが非常に異なる設定で小さな生物と大きな生物の豊富さを調節する可能性があることを示唆している。これは、ワダブルストリームでコミュニティレベルのサイズスペクトルをモデル化するためのプロトコルです。プロトコルは、3 つの主要な手順で構成されます。まず、局所密度を推定するために使用できる定量的なベンチック魚と無脊椎動物のサンプルを収集します。第二に、すべての個人をアタキシック単位(すなわち、分類のアイデンティティに関係なく、サイズで識別される個人)に変換し、ログ2サイズのビン内の個人を合計することによって、魚と無脊椎動物のデータを標準化します。第 3 に、線形回帰を使用して、非課税MとDの推定値の関係をモデル化します。D推定とサイズスペクトルモデリングを容易にするカスタムソフトウェアを含む、これらの各ステップを完了するための詳細な手順を本明細書に記載されています。

Introduction

体重と代謝率の間の正の関連など、体の大きさのスケーリング関係は、個々の生物レベルでよく知られており、現在、組織1、2、3のより高いレベルで研究されています。.これらの同種関係は、最も多くの場合、Y =aM bという形式のパワーロー関数であり、Yは目的の変数(例えば、代謝、豊富さ、またはホームレンジサイズ)であり、Mは単一または平均の体重である。 個別、b はスケーリング係数、a は定数です。 統計的な便宜上、Y およびMデータは、多くの場合、分析の前にログ変換され、フォーム ログ (Y) = log (a) + b log (M)の線形方程式でモデル化され、ここでbおよび log (a)は、それぞれ線形モデルの勾配と切片になります。

サイズスペクトルは、密度(D、単位面積当たりの個体数)またはバイオマス(B、単位面積当たりの個人の合計質量)をMの関数として予測する同種関係の一種である(追加についてはセクション4を参照)。「正規化された」DまたはBの推定値の使用に関する情報)MとDの間、またはMとBの間の他のスケーリング関係と同様に、サイズスペクトルは、基本的なエコロジーと応用エコロジーにおいて中心的な役割を果たします。集団レベルでは、生物学者はしばしば、密度依存的生存Image 1の証拠として、または生態系運搬能力のモデルとして否定的なD M関係を解釈する(すなわち、「自己間伐規則」)4、 5.コミュニティレベルでは、B Image 1 M関係は、サイズ選択的釣り6、7などの人為的摂動のシステムレベルの効果を研究するために使用することができる。MとDとBの同種スケーリングは、人口、コミュニティ、生態系生態系を結びつける最近の取り組みの中心でもあります 2,8,9.  

サイズスペクトルの特に重要な特徴の1つは、それが完全に非課税9、10であるという事実です。この点は、D Image 1 MまたはB Image 1 Mデータの散布図を比較する場合は見逃しやすいですが、税モデルとアタックスモデルの区別は重要です。課税モデルでは、1 つのM値が、特定の種またはタキサ11の各個体の平均体重を表すために使用されます。非課税モデルでは、データセット内のすべての個人は、分類 ID12に関係なく、一連のボディ サイズ間隔またはMビンに分割されます。後者のアタキシックアプローチは、多くのタキサが不確定な成長を示し、摂食行動の1つ以上の遺伝的変化を経験する水生生態系において有利である。これらの例では、単一の種レベルのM平均は、種がその生涯の歴史9、13、14を通じて異なる機能的役割を果たすことができるという事実をあいまいにします。 

ここでは、ワダブル川と河川内のサイズスペクトルを定量化するための完全なプロトコルを提示する。プロトコルは、必要な魚とベンチックマクロ無脊椎動物のデータを収集するためのフィールドサンプリング方法から始まります。魚は「3パス枯渇」サンプリングプロセスを通じて収集されます。その後、Zippin法15を用いて枯渇データから豊富さが推定される。枯渇サンプリングでは、閉じたスタディ範囲内の個々の魚(すなわち、個人は囲まれたリーチに入ることも出て行くこともできない)は、3つの連続したサンプルを通してリーチから除去されます。したがって、残りの魚の数は徐々に減少します。この枯渇傾向から、研究範囲内の総総総量を推定し、その後、研究範囲の既知の表面積を使用して、D(m2当たりの魚)に変換することができる。ベンチックマクロ無脊椎動物は、標準的な固定領域サンプラーで収集され、その後、実験室で同定され、測定されます。

次に、魚とマクロ無脊椎動物のデータを組み合わせてサイズビンに分割します。従来、オクターブまたはログ2スケール(すなわち、倍増間隔)は、サイズビン境界16を設定するために使用されてきた。サイズビンのリストが確立されると、無脊椎動物は単位面積あたりの個人数として直接列挙されるため、それぞれのサイズビン間の個々のベンチックマクロ無脊椎動物のパーティション分割は簡単です。しかし、これらの推定値は枯渇データから推測されるため、サイズビン内の魚の豊富さを推定する方が抽象的です。したがって、詳細な手順は、劣化サンプルデータから、分類のアイデンティティに関係なく、サイズビン内の魚の豊富さを推定するために提供されます。

最後に、線形回帰を使用してサイズスペクトルをモデル化します。このプロトコルは、カーとディッキー16の元の一般的な方法と完全に互換性があり、マクガーヴィーとカークによって使用される方法と同じです, 201817ウェストバージニア州の流れで魚と無脊椎動物のサイズスペクトルの研究で.このプロトコルを使用することにより、研究者は、その結果がKerrとDickie16に基づいて構築された他の研究と直接比較可能であることを保証することができ、それによって淡水の体サイズスケーリング関係の広範かつ堅牢な理解を加速することができます生態系とそれらを駆動するメカニズム。

Protocol

ここに記載されているすべての方法は、バージニアコモンウェルス大学の機関動物ケアおよび使用委員会(IACUC)によって承認されています。 1. 魚類サンプルの収集・処理 研究範囲内で魚を隔離し、閉じた魚の集合体を作成する 上流と下流(方向は「上流」に面し、水流に対して相対的である)を識別し、調査範囲の端部に取り外し可…

Representative Results

元のフィールド データを含む例示の結果は、ウェストバージニア州南部の小さな流れであるウェストバージニア州の Slaunch Fork に対して提示されます。追加のサイズスペクトルモデルの結果は、同じ地域の他の2つのストリームについても提示されます:キャンプクリークとキャビンクリーク、ウェストバージニア州。これらは、McGarveyとカーク17に含まれる3つの研究サイトで…

Discussion

この非課税サイズスペクトルプロトコルは、河川魚と無脊椎動物のコミュニティ内のサイズ構造を定量化およびモデル化するために使用できます。河川生態系における以前のサイズスペクトル研究は、基本的な記述的研究39、40から縦方向の河川プロファイル41に沿った比較、および異なる生物地理的領域42の間で…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究のための資金は、国立科学財団(助成金DEB-1553111)と科学研究のためのエプリー財団によって提供されました。この原稿はVCUライスリバーズセンターの寄付#89です。

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.
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McGarvey, D. J., Woods, T. E., Kirk, A. J. Modeling the Size Spectrum for Macroinvertebrates and Fishes in Stream Ecosystems. J. Vis. Exp. (149), e59945, doi:10.3791/59945 (2019).
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