Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-30T14:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 41 s
Description: 学ぶ 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モデリング手法。個体サイズと個体数の関係を統計解析し、水生生物の個体群動態を理解する標準化された方法を提供します。

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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。

著者は何も開示していない。

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の間で及んでいた。季節的な比較は43、44および最近、サイズスペクトルパラメータの季節変化が水温および水文学17にリンクされている。サイズスペクトル斜面はまた、連続する栄養レベル45、46の間で栄養伝達効率を推定するために使用され、サイズスペクトルインターセプトは、食品...

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<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg">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 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> 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 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> MまたはB <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> 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。

<table><tbody><tr><td>チェストウェーダー</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>電気釣り中に使用する個人用保護具。「呼吸可能な」ウェーダーは、電流が流れるため使用しないでください。</td></tr><tr><td>ラバーラインマンの手袋</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>電気釣り中に使用する個人用保護具。</td></tr><tr><td>グラスファイバーポール付きディップネット</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>電気釣り中に気絶した魚を捕まえるために使用されます。</td></tr><tr><td>バックパック電気釣りユニット</td><td>Smith-Root;ホールテック;中西部の湖の管理;Aqua Shock Solutions</td><td>www.smith-root.com; www.halltechaquatic.com; https://midwestlake.com; https://aquashocksolutions.com/</td> <td>Backpack 電気釣機は、現在、北米の 4 つの独立した会社によって製造および販売されています。価格と保証/技術サポートは、ベンダーを選択する際の最も重要な要素です。</td></tr><tr><td>ブロックネット/引き網(&times;2)</td><td>ダルースネット</td><td>https://duluthfishnets.com/</td> <td>必要な長さはストリーム幅によって異なります。3/8インチメッシュをお勧めします。</td></tr><tr><td>1インチのナイロンウェビング付きカムアクションユーティリティストラップ(&times;4)</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>ブロックネットを固定/固定するために使用されます。オートサプライ店、金物店、百貨店で購入できます。</td></tr><tr><td>大きなテントの杭(&times;4)</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>ブロックネットを固定/固定するために使用されます。キャンプ用品店やデパートで購入できます。</td></tr><tr><td>5ガロンのプラスチックバケツ(&times;5)</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>電気釣り中に魚を保持し、輸送するために使用されます。金物店、塗料用品店でお求めいただけます。</td></tr><tr><td>10-20ガロントートバッグ(&times;3)</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>捕獲した魚のライブウェル、鎮静タンク、回収ビンとして使用されます。金物店や百貨店で購入できます。</td></tr><tr><td>電池式の「餌バケツ」曝気ポンプ</td><td>Cabelas</td><td>IK-019008</td><td>フィールド処理中にビンを保持している魚を曝気するために使用されます。</td></tr><tr><td>魚の麻酔(Tricaine-S)</td><td>Syndel</td><td>www.syndel.com</td><td>野外処理のための魚を鎮静させるために使用されます。Tricaine-Sは、米国食品医薬品局(FDA)によって規制されています。</td></tr><tr><td>折りたたみ式キャンプテーブルと椅子</td><td>Cabelas</td><td>IK-518976;IK-552777魚</td><td>のサンプルを処理するために使用されます。</td></tr><tr><td>ポップアップキャノピー</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>必要に応じて、日光や雨からの保護に使用されます。</td></tr><tr><td>魚の測定板Wildco</td><td></td><td>3-118-E40</td><td>魚の長さを測定するために使用されます。</td></tr><tr><td>バッテリー駆動のフィールドスケールと計量皿</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>魚の計量に使用されます。0.1または0.01グラムの精度で重量を量る必要があります。</td></tr><tr><td>透明なプラスチック製の風/雨のバッフル</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>雨や風の強い条件でスケールをシールドするために使用されます。はかりと計量皿を覆うのに十分な大きさでなければなりません。</td></tr><tr><td>白いプラスチックまたはエナメルの検査トレイ</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>トレイは、野外で魚を検査するために不可欠です。</td></tr><tr><td>ステンレス製鉗子</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>鉗子は、小魚の検査や無脊椎動物を試料瓶に移す際に役立ちます。</td></tr><tr><td>手の拡大鏡</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>倍率は、野外で魚の標本を識別する際によく役立ちます。</td></tr><tr><td>魚の識別キーn</td><td>/ a</td><td>n / aラミネート</td><td>キーは、特定の場所用にカスタム準備され、最も効果的です。</td></tr><tr><td>防水紙に印刷されたデータシート</td><td>雨の中の儀式</td><td>n/a</td><td>防水紙は、水生標本を扱う際に不可欠です。</td></tr><tr><td>格納式グラスファイバーフィールドテープ</td><td>Lufkin</td><td>n / a</td><td>ストリームチャネルの寸法を測定するために使用されます。</td></tr><tr><td>SurberサンプラーまたはHessサンプラーWildco</td><td></td><td>3-12-D56; 3-16-C52</td><td>これらの固定領域底生サンプラーのいずれかは、砂利または小石の基質を持つ浅い流れでうまく機能します。</td></tr><tr><td>70%エタノールまたはイソプロピルアルコール</td><td>複数のオプション</td><td>n/a</td><td>無脊椎動物の防腐剤として使用されます。</td></tr><tr><td>広口無脊椎動物標本瓶(20-32オンス)</td><td>U.S.プラスチック・コーポレーション</td><td>67712</td><td>広口プラスチックの瓶なら何でも使えますが、これらの特定の瓶は耐久性があり、安価です。</td></tr></tbody></table>

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

Modeling the Size Spectrum for Macroinvertebrates and Fishes in Stream Ecosystems

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。

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つの研究サイトですが、ここで提示されたデータは、2015年5月に収集された新しいサンプルからのものです。サイズスペクトルモデリングプロセスの完全に動作した手動の例は、補足ファイル2のSlaunch Forkデータに含まれています。または、http://bit.ly/SizeSpectraでカスタム サイズスペクトル アプリケーション (図 3を参照) を使用して、すべての計算を自動化することもできます。
3つの研究のそれぞれにおいて、明確な、負<img alt="Image ...

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。

The size spectrum is an inverse, allometric scaling relationship between average body mass (M) and the density (D) of individuals within an ecological ...

サイズスペクトルは、個々のサイズの関数として豊富さを予測します。サイズスペクトル研究は、多様な生態系からの比較的小さく、大規模な生物の豊富さに強い類似性を示唆しています。種レベルの平均サイズを使用する従来のサイズ豊富スケーリング関係とは異なり、サイズスペクトルモデルは非課税的であり、サンプル内のすべての個人のサイズを考慮することができます。この手順のデモンストレーションは、ブランドン・グラヴェット、サラ・ヘッドリー、ジャンカルロ・ラカネッリ(フィールド技術者)です。スタディの到達範囲の上流端と下流端を特定したら、取り外し可能なフラグ付けテープで端をマークします。研究到達距離の長さに沿って均等に分布する 5 ~ 10 のトランセクトで、湿った流路の幅を測定し、平均ウェットチャネル幅にリーチの全長を掛けた値として、研究の到達範囲の総表面積を推定します。ポリプロピレンロープの両端にゆるい弓線の結び目を作成し、木、根、大きな岩、または他の固体物体を中心として、その上および下流の端に巻き付けます。一方のループをもう一方のループに送ってアンカーポイントを作成し、必要に応じてアンカーオブジェクトの周りにラップを追加または削除して、ロープアンカーを短くまたは長くします。ちょうど示したように、ストリームの反対側に2番目のアンカーポイントを確立し、弓線ノットを使用して、メッシュブロックネットを粗くする媒体の4つのコーナーの各々のラインにループを作成します。カムアクションのタイダウンストラップを使用して、ブロックネットのトップラインの両側をアンカーポイントに接続し、タイダウンストラップの両端のフックをブロックネットとアンカーポイントのコーナーのループに挿入します。カムバックルを通してタイダウンストラップのフリーテザーを引き、各接触点を締め付け、ブロックネットの一番下の行をテントステークでストリームバンクに固定します。上流に面したネットの側面に大きな岩を置き、ブロックネットを固定して、ストリームの底部にシールを設置し、ネットの上部が水位を上回ることに注意してください。次に、同じ方法で、スタディリーチの下流端に2番目のブロックネットを設定します。魚のサンプリング枯渇パスを実行するには、閉じられたスタディリーチの下流端から始まり、バックパックのエレクトロフィッシャーをオンにして、上流方向に流れを移動します。研究を通してゆっくりと進行し、すべての流れの生息地がサンプリングされるように、研究を通じて左右に移動し、サポートクルーメンバーが発見されたディップネットで驚いた魚を収集するために従っています。魚を一時的なバケツに移し、気泡持ちの浴槽に移します。捕獲された魚が健康であることを保障するために、愛用石と小さな電池式餌バケットポンプを使用してください。彼らは見つけて捕獲することが困難であるため、様々な小さな、年の若い魚に特に注意を払います。最初の枯渇パスは、アップストリームネットに到達すると完了します。最初の枯渇パス魚の処理のために、小さなディップネットを使用して、サンプリングされた魚を個別に、または小さなバッチでサンプリングした魚を取り出して識別し、標本を白いトレイに入れます。鉗子と虫眼鏡を使用して、各魚を識別し、スナウトの先端から測定ボード上の尾ひれの端までその全長を測定し、0.1または0.01グラムの精度でフィールドバランスに重み付けします。その後、防水データシート上の各標本の種のアイデンティティと全長と重量を記録します。処理したら、下流のブロックネットの下流のすべての魚を解放する前に、別の通気回収ビンに魚を返します。研究の範囲で観察された物理的な生息地の主要なタイプを代表する魚のサンプリングリーチの境界内の底性マクロインバーテブラートサンプルサイトを選択します。適切な固定面積サンプリング装置を、サンプルコレクションネット方向下流のストリーム底面にしっかりと置き、必要に応じて大きな石畳を動かして、基板との密着シールを確立します。ブラシを使用して、サンプリングエリア内の基板を2分間激しくスクラブし、外れた底質マクロインバーテブラートをサンプルネットにドリフトさせます。サンプル内容物をネットからプラスチック瓶に移し、試料を70%イソプロピルアルコールで保存します。その後、瓶にラベルを付け、安全な場所に保管して、後でラボに転送します。すべての底質マクロイン脊椎動物および魚のデータが適切にフォーマットされ、プロットされている場合、個々の体重と正規化された密度の間の明確な負の関係はしばしば明らかである。このサイズスペクトルは、ウェストバージニア州のSlaunch Forkのサンプルとしてここに示すように、ミッジや小さなハエなどの最小で最も豊富な無脊椎動物から、より大きなカディスフライや魚への石灰への予測可能な移行を反映しています。同様のサイズスペクトル関係は、キャンプクリークとキャビンクリーク、他の2つのウェストバージニアストリームの魚の底性マクロイン脊椎動物のために検出され、線形回帰は関係をモデル化するために使用されました。サイズスペクトルの傾きはすべて1.7~1.8で、95%の信頼区間が重なっていました。この類似性は、3 つのストリームすべてでボディ サイズがほぼ等しい割合で増加するにつれて、量が減少することを示します。しかし、異なるサイズスペクトルインターセプトは、全体的な密度の違いがストリーム間で可変であることを明らかにしますが、キャンプクリークで観測された最高密度とキャビンクリークで測定されたはるかに低い密度。サイズスペクトル研究の数が増えるにつれて、異なる環境影響がサイズスペクトルに及ぼす影響の重要なテストが可能になります。すべてのフィールドワークには何らかのリスクが伴い、特にエレクトロフィッシングは危険であることを覚えておくことが重要です。したがって、すべての乗組員が適切に訓練されていることが不可欠です。

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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

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