Modellering av storleks spektrumet för Makroryggradslösa djur och fiskar i ström ekosystem

Summary

Detta är ett protokoll för att modellera storleken spektrum (skala förhållandet mellan individuell massa och befolkningstäthet) för kombinerade fisk och ryggradslösa data från wadable strömmar och floder. Metoder inkluderar: fälttekniker för att samla in kvantitativa fisk och ryggradslösa djur prover; Lab metoder för att standardisera fältdata; och statistisk dataanalys.

Abstract

Storleken spektrum är en omvänd, allometriska skalning relation mellan genomsnittlig kroppsmassa (M) och densitet (D) av individer inom en ekologisk gemenskap eller livsmedel webben. Viktigt är att storleken spektrum förutsätter att enskilda storlek, snarare än art ‘ beteendemässiga eller livshistoria egenskaper, är den primära bestämnings faktorn för överflöd inom ett ekosystem. Således, till skillnad från traditionella allometriska relationer som fokuserar på Art-nivå data (t. ex. menar artens kroppsstorlek kontra befolkningstäthet), är storleks spektra analyser “ataxic”-enskilda prover identifieras endast genom sin storlek, utan hänsyn till taxonomisk identitet. Storlek Spectra modeller är effektiva representationer av traditionella, komplexa livsmedel Webs och kan användas i beskrivande såväl som prediktiva sammanhang (t. ex. förutsäga svar av stora konsumenter till förändringar i basala resurser). Empiriska studier från olika akvatiska ekosystem har också rapporterat måttliga till höga nivåer av likhet i storlek Spectra sluttningar, vilket tyder på att vanliga processer kan reglera överflöd av små och stora organismer i mycket olika inställningar. Detta är ett protokoll för att modellera community-nivå storlek spektrum i wadable strömmar. Protokollet består av tre huvudsteg. Först samla kvantitativa bentiska fisk och ryggradslösa prover som kan användas för att uppskatta lokala tätheter. För det andra, standardisera fisken och ryggradslösa data genom att omvandla alla individer till ataktisk-enheter (dvs individer identifierade efter storlek, oavsett taxonomisk identitet), och summera individer inom log₂ storlek papperskorgar. För det tredje, Använd linjär regression för att modellera relationen mellan ataktisk M och D uppskattningar. Detaljerade instruktioner finns här för att slutföra var och en av dessa steg, inklusive anpassad programvara för att underlätta D uppskattning och storlek Spectra modellering.

Introduction

Kroppsstorlek skalning relationer, såsom den positiva kopplingen mellan kroppsmassa och ämnesomsättning, är välkända på individuell organism nivå och nu studeras på högre nivåer av organisation^1,2,3 . Dessa allometriska relationer är oftast Power-Law funktioner i form Y = am^b, där Y är variabeln av intresse (t. ex. metabolism, överflöd, eller hem intervall storlek), M är kroppsmassan av en enda eller genomsnittlig individuell, b är en skalningskoefficient, och a är en konstant. För statistisk bekvämlighet är Y -och M -data ofta loggtransformerade före analys och modelleras sedan med linjära ekvationer av formulär loggen (y) = log (a) + b log (M), där b och log ( a) bli linjär modell lutning och skärningspunkt, respektive.

Storleken spektrum är en typ av allometriska relation som förutspår densitet (D, antalet individer per enhet område) eller biomassa (B, den summerade massan av individer per enhet område) som en funktion av M (se avsnitt 4 för ytterligare information om användningen av “normaliserade” D -eller B -skattningar.) Liksom andra skalnings relationer mellan m och D eller mellan m och Bspelar storleks spektrumet en central roll i grundläggande och tillämpad ekologi. På populationsnivå tolkar biologer ofta negativa D M -förhållanden som bevis på densitetsberoende överlevnad eller som modeller av ekosystemens bärförmåga (dvs. själv gallring regeln)^{4, 5}. På gemenskapsnivå kan B M -relationer användas för att studera effekter på systemnivå av antropogena störningar, till exempel storleks selektivt fiske^6,7. Allometrisk skalning av D och B med M är också centralt för de senaste insatserna för att förena befolkning, gemenskap och ekosystemekologi^2,8,9.  

Ett bestämt viktigt kännetecken av storleksanpassa spectrumen är faktumet att det är fullständigt ataktisk^9,10. Denna punkt är lätt att missa när man jämför scatterplots av D m eller B m data men skillnaden mellan taxic och ataktisk modeller är en kritisk en. I taxic-modeller används ett enda M -värde för att representera den genomsnittliga kroppsmassan för varje individ av en given art eller taxa¹¹. I ataktisk-modeller partitioneras alla individer inom en datauppsättning mellan en serie kropps storleksintervall eller M -fack, oavsett deras taxonomiska identitet¹². Det sistnämnda är ataktisk-metoden fördelaktigt i akvatiska ekosystem där många taxa uppvisar obestämbart tillväxt och upplever en eller flera ontogenetiska förändringar i utfodringsbeteende; i dessa fall, en enda art-nivå M genomsnitt kommer att skymma det faktum att en art kan fylla olika funktionella roller under hela sin livshistoria^9,13,14. 

Här presenterar vi ett komplett protokoll för att kvantifiera storleken spektrum inom wadable strömmar och floder. Protokollet inleds med fält provtagningsmetoder för att samla in nödvändig fisk och bentiska makroinvertebratdata. Fisk kommer att samlas in genom en “Three-pass utarmning” provtagning process. Överflöd kommer då att uppskattas från utarmning data med zippin metod¹⁵. I utarmning provtagning, enskilda fiskar inom en sluten studie nå (dvs, individer kan varken ange eller lämna den bifogade Reach) avlägsnas från Reach genom tre på varandra följande prover. Således kommer antalet kvarvarande fiskar successivt utarmat. Från denna utarmning trend, kan det totala överflöd inom studiens räckvidd uppskattas sedan omvandlas till D (i fisk per m²), med hjälp av den kända ytan av studien Reach. Bentiska makroryggradslösa djur kommer att samlas in med standard provtagare med fast areal, som sedan identifieras och mäts i laboratoriet.

Därefter kommer de kombinerade Fish-och av-data att partitioneras mellanstorleks behållare. Traditionellt har oktav-eller log₂ -skalan (dvs. dubbleringsintervall) använts för att ställa in storleksgränsen¹⁶. När en lista över storlek papperskorgar har upprättats, partitionering av enskilda bentiska makroinvertebrater bland deras respektive storlek papperskorgar är enkelt eftersom ryggradslösa djur är direkt räknas som antalet individer per enhet område. Det är dock mer abstrakt att uppskatta fisk abundans inom storleks soptunnor, eftersom dessa uppskattningar härleds från utarmningen. Det finns därför detaljerade anvisningar för uppskattning av fisk förekomst inom storleks behållare, oavsett taxonomisk identitet, från utarmning av prov data.

Slutligen kommer linjär regression att användas för att modellera storleks spektrumet. Detta protokoll är fullt kompatibelt med den ursprungliga, allmänna metoden för Kerr och Dickie¹⁶ och identisk med de metoder som används av McGarvey och Kirk, 2018¹⁷ i en studie av fisk och ryggradslösa storlek Spectra i West Virginia strömmar. Genom att använda detta protokoll, utredare kan försäkra att deras resultat är direkt jämförbara med andra studier som bygger på Kerr och Dickie¹⁶, därmed påskynda en bred och robust förståelse av kroppsstorlek skalning relationer i sötvatten ekosystemen och de mekanismer som driver dem.

Protocol

Alla metoder som beskrivs här har godkänts av den institutionella djuromsorg och användning kommittén (IACUC) av Virginia Commonwealth University. 1. insamling och bearbetning av fiskprover Isolating fiskar inom studien Reach för att skapa en sluten fisk assemblage Identifiera uppströms och nedströms (riktningen är relativ till en SURVEYOR Facing “uppströms” och mot vattenströmmen) ändarna av studien Reach sedan markera ändarna …

Representative Results

Föredöme resultat, inklusive ursprungliga fältdata, presenteras för Slaunch Fork, West Virginia, en liten bäck i södra West Virginia. Ytterligare storlek Spectra modellresultat presenteras också för två andra strömmar i samma region: Camp Creek och Cabin Creek, West Virginia. Dessa är de tre studieplatser som ingår i McGarvey och Kirk17, men data som presenteras här är från nya prover som samlats in i maj 2015. En fullt fungerade, manuell exempel på storleken Spectra modellering pr…

Discussion

Detta ataktisk size Spectra-protokollet kan användas för att kvantifiera och modell storlek struktur inom samhällen av ström fiskar och ryggradslösa djur. Tidigare storlek Spectra studier i ström ekosystem har varierat från grundläggande beskrivande forskning^39,40 till jämförelser längs en längsgående flod profil⁴¹ och bland olika biogeografiska regioner⁴². Säsongs jämförelser har utförts<sup class=…

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.