Name: modeling the size spectrum for macroinvertebrates and fishes in stream ecosystems
Uploaded: 2019-07-30T14:00:00
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Le financement de ces travaux a été fourni par la National Science Foundation (subvention DEB-1553111) et la Fondation Eppley pour la recherche scientifique. Ce manuscrit est VCU Rice Rivers Center contribution #89.

Toutes les méthodes décrites ici ont été approuvées par le Comité institutionnel de soins et d'utilisation des animaux (IACUC) de l'Université du Commonwealth de Virginie.
1. Collecte et traitement des échantillons de poisson
<ol><li>Isoler les poissons dans la portée de l'étude pour créer un assemblage fermé de poissons
	<ol>
<li>Identifier l'amont et l'aval (la direction est relative à un arpenteur faisant face à « en amont » et contre le c...

Ce protocole spectral de taille ataxique peut être utilisé pour quantifier et modéliser la structure de la taille au sein des communautés de poissons des cours d'eau et d'invertébrés. Les études antérieures sur les spectres de taille dans les écosystèmes des cours d'eau ont varié de la recherche descriptive de base39,40 à des comparaisons le long d'un profil longitudinal41 et parmi les régions biogéographiques distinctes<sup ...

Les relations de mise à l'échelle de la taille du corps, telles que l'association positive entre la masse corporelle et le taux métabolique, sont bien connues au niveau de l'organisme individuel et sont maintenant étudiées à des niveaux plus élevés d'organisation1,2,3 . Ces relations allométriques sont le plus souvent des fonctions de droit du pouvoir de la forme Y - aMb, où Y est la variable d'intérêt (par exemple, le métabolisme, l'abondance, ou la taille de la gamme à la maison), M est la masse corporelle d'un seul ou moyen individuel, b est un coefficient de mise à l'échelle, et a est une constante. Pour plus de commodité statistique, les données Y et M sont souvent transformées en journal avant l'analyse, puis modélisées avec des équations linéaires du journal de formulaire (Y) - journal (a ) et b journal (M), où b et journal ( a) devenir la pente linéaire du modèle et intercepter, respectivement.
Le spectre de taille est un type derelation allométrique qui prédit la densité (D , le nombre d'individus par zone unitaire) ou la biomasse (B, la masse résumée des individus par zone unitaire) en fonction de M (voir la section 4 pour plus informations sur l'utilisation des estimations D ou B « normalisées »). Comme d'autres relations de mise à l'échelle entre M et D ou entre M et B, le spectre de taille joue un rôle central dans l'écologie fondamentale et appliquée. Au niveau de la population, <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> </img>les biologistes interprètent souvent les relations négatives d'Assouplissement que M comme des preuves de survie dépendante de la densité ou comme des modèles de capacité de charge de l'écosystème (c.-à-d. la « règle de l'auto-éclaircie »)4, 5. Au niveau communautaire, les relations B <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> </img> M peuvent être utilisées pour étudier les effets au niveau du système des perturbations anthropiques, telles que la pêche sélective de taille6,7. La mise à l'échelle allométrique de D et B avec M est également au cœur des efforts récents visant à unir l'écologie de la population, de la communauté et de l'écosystème2,8,9.  
Une caractéristique particulièrement importante du spectre de taille est le fait qu'il est entièrement ataxique9,10. Ce point est facile à manquer lorsque l'on compare des scatterplots de données D <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> </img> M ou B <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> </img> M, mais la distinction entre les modèles taxic et ataxique est critique. Dans les modèles taxic, une valeur M unique est utilisée pour représenter la masse corporelle moyenne de chaque individu d'une espèce donnée ou taxa11. Dans les modèles d'ataxique, tous les individus au sein d'un ensemble de données sont répartis entre une série d'intervalles de taille corporelle ou de bacs M, indépendamment de leur identité taxonomique12. Cette dernière approche ataxique est avantageuse dans les écosystèmes aquatiques où de nombreux taxons présentent une croissance indéterminée et subissent un ou plusieurs changements ontogénétiques dans le comportement alimentaire; dans ces cas, une seule moyenne M de niveau d'espèce masquera le fait qu'une espèce peut remplir différents rôles fonctionnels tout au long de son histoire de vie9,13,14. 
Ici, nous présentons un protocole complet pour quantifier le spectre de taille dans les ruisseaux et les rivières. Le protocole commence par des méthodes d'échantillonnage sur le terrain pour recueillir les données nécessaires sur les poissons et les macroinvertébrés benthiques. Les poissons seront recueillis au moyen d'un processus d'échantillonnage à trois passes. L'abondance sera alors estimée à partir des données d'épuisement avec la méthode Zippin15. Dans l'échantillonnage de l'épuisement, les poissons individuels dans une portée d'étude fermée (c.-à-d. que les individus ne peuvent ni entrer ni sortir de la portée fermée) sont retirés de la portée par trois échantillons successifs. Ainsi, le nombre de poissons restants sera progressivement épuisé. De cette tendance à l'épuisement, l'abondance totale dans la portée de l'étude peut être estimée puis convertie en D (en poissons par m2),en utilisant la surface connue de la portée de l'étude. Les macroinvertébrés benthiques seront recueillis avec des échantillonneurs de zones fixes standard, puis identifiés et mesurés en laboratoire.
Ensuite, les données combinées sur les poissons et les macroinvertébrés seront divisées entre les bacs de taille. Traditionnellement, l'échelle de l'octave ou du journal2 (c.-à-d. les intervalles de doublement) a été utilisée pour définir les limites des bacs de taille16. Une fois qu'une liste de bacs de taille a été établie, le cloisonnement des macroinvertébrés benthiques individuels entre leurs bacs de taille respective est simple parce que les invertébrés sont directement énumérés comme nombre d'individus par zone unitaire. Cependant, l'estimation de l'abondance des poissons dans les bacs de taille est plus abstraite parce que ces estimations sont déduites des données d'épuisement. Des instructions détaillées sont donc fournies pour estimer l'abondance des poissons dans les bacs de taille, indépendamment de l'identité taxonomique, à partir des données de l'échantillon d'épuisement.
Enfin, la régression linéaire sera utilisée pour modéliser le spectre de taille. Ce protocole est entièrement compatible avec la méthode originale et générale de Kerr et Dickie16 et identique aux méthodes utilisées par McGarvey et Kirk, 201817 dans une étude des spectres de taille de poissons et d'invertébrés dans les cours d'eau de Virginie-Occidentale. En utilisant ce protocole, les chercheurs peuvent s'assurer que leurs résultats sont directement comparables à d'autres études qui s'appuient sur Kerr et Dickie16, accélérant ainsi une compréhension large et robuste des relations de mise à l'échelle de la taille du corps en eau douce les écosystèmes et les mécanismes qui les animent.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Chest waders</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Personal protective equipment for use during electrofishing. Do NOT use &#39;breatheable&#39; waders as electrical current will pass through them.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rubber lineman&#39;s gloves</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Personal protective equipment for use during electrofishing.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dip nets with fiberglass poles</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used to capture stunned fishes during electrofishing.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Backpack electrofishing unit</td>
			<td>Smith-Root; Halltech; Midwest Lake Management; Aqua Shock Solutions</td>
			<td>www.smith-root.com; www.halltechaquatic.com; https://midwestlake.com; https://aquashocksolutions.com/</td>
			<td>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.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Block nets/seines (&#215;2)</td>
			<td>Duluth Nets</td>
			<td>https://duluthfishnets.com/</td>
			<td>Necessary length will depend on stream width. 3/8 inch mesh is recommended.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cam-action utility straps with 1 inch nylon webbing (&#215;4)</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used to secure/anchor block nets. Available at auto supply, hardware, and department stores.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Large tent stakes (&#215;4)</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used to secure/anchor block nets. Available at camping and department stores.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 gallon plastic buckets (&#215;5)</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used to hold and transport fish during electrofishing. Available at hardware and paint supply stores.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10-20 gallon totes (&#215;3)</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used as livewells, sedation tanks, and recovery bins for captured fishes. Available at hardware and department stores.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery powered &#39;bait bucket&#39; aeration pumps</td>
			<td>Cabelas</td>
			<td>IK-019008</td>
			<td>Used to aerate fish holding bins during field processing.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fish anesthesia (Tricaine-S)</td>
			<td>Syndel</td>
			<td>www.syndel.com</td>
			<td>Used to sedate fishes for field processing. Tricaine-S is regulated by the U.S. Food and Drug Administration.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Folding camp table and chairs</td>
			<td>Cabelas</td>
			<td>IK-518976; IK-552777</td>
			<td>Used to process fish samples.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pop-up canopy</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used as necessary for sun and rain protection.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fish measuring board</td>
			<td>Wildco</td>
			<td>3-118-E40</td>
			<td>Used to measure fish lengths.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Battery powered field scale with weighing dish</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used to weigh fishes. Must weigh be accurate to 0.1 or 0.01 grams.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clear plastic wind/rain baffle</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used to shield scale in rainy or windy conditions. Must be large enough to cover the scale and a weighing dish.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>White plastic or enamel examination trays</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Trays are essential for examining fishes in the field.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stainless steel forceps</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Forceps are helpful when examining small fishes and in transfering invertebrates to specimen jars.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hand magnifiers</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Magnification is often helpful when identifying fish specimens in the field.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fish identification keys</td>
			<td>n/a</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Laminated keys that are custom prepared for specific locations are most effective.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Datasheets printed on waterproof paper</td>
			<td>Rite in the Rain</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Waterproof paper is essential when working with aquatic specimens.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Retractable fiberglass field tapes</td>
			<td>Lufkin</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used to measure stream channel dimensions.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Surber sampler or Hess sampler</td>
			<td>Wildco</td>
			<td>3-12-D56; 3-16-C52</td>
			<td>Either of these fixed-area benthic samplers will work well in shallow streams with gravel or pebble substrate.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>70% ethanol or isopropyl alcohol</td>
			<td>Multiple options</td>
			<td>n/a</td>
			<td>Used as invertebrate preservative.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Widemouth invertebrate specimen jars (20-32 oz.)</td>
			<td>U.S. Plastic Corp.</td>
			<td>67712</td>
			<td>Any widemouth plastic jars will work but these particular jars are durable and inexpensive.</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

modeling the size spectrum for macroinvertebrates and fishes in stream ecosystems

Le spectre de taille est une relation inverse et allométrique de mise à l'échelle entre la masse corporelle moyenne (M) et la densité (D) des individus au sein d'une communauté écologique ou d'un réseau alimentaire. Fait important, le spectre de la taille suppose que la taille individuelle, plutôt que les caractéristiques comportementales ou d'histoire de vie des espèces, est le principal déterminant de l'abondance au sein d'un écosystème. Ainsi, contrairement aux relations allométriques traditionnelles qui se concentrent sur les données au niveau des espèces (p. ex., la taille corporelle des espèces moyennes par rapport à la densité de population), les analyses des spectres de taille sont « ataxiques » - les spécimens individuels ne sont identifiés que par leur taille, sans tenir compte de l'identité taxonomique. Les modèles de spectres de taille sont des représentations efficaces des réseaux alimentaires traditionnels et complexes et peuvent être utilisés dans des contextes descriptifs et prédictifs (p. ex., prédire les réponses des grands consommateurs aux changements dans les ressources basales). Des études empiriques provenant de divers écosystèmes aquatiques ont également fait état de niveaux modérés à élevés de similitude dans les pentes spectrales de taille, ce qui suggère que des processus communs peuvent réguler l'abondance des petits et grands organismes dans des milieux très différents. Il s'agit d'un protocole pour modéliser le spectre de taille au niveau communautaire dans les cours d'eau pataugés. Le protocole se compose de trois étapes principales. Tout d'abord, recueillir des échantillons quantitatifs de poissons benthiques et d'invertébrés qui peuvent être utilisés pour estimer les densités locales. Deuxièmement, normaliser les données sur les poissons et les invertébrés en convertissant tous les individus en unités d'ataxique (c.-à-d. les individus identifiés par la taille, indépendamment de l'identité taxonomique), et en résumant les individus dans des bacs de taillelog 2. Troisièmement, utilisez la régression linéaire pour modéliser la relation entre les estimations ataxiques M et D. Des instructions détaillées sont fournies ici pour compléter chacune de ces étapes, y compris un logiciel personnalisé pour faciliter l'estimation D et la modélisation des spectres de taille.

Les résultats exemplaires, y compris les données originales sur le terrain, sont présentés pour Slaunch Fork, en Virginie-Occidentale, un petit cours d'eau dans le sud de la Virginie-Occidentale. Des résultats de modèles spectrales de taille additionnelle sont également présentés pour deux autres cours d'eau dans la même région : Camp Creek et Cabin Creek, en Virginie-Occidentale. Ce sont les trois sites d'étude inclus dans McGarvey et Kirk17, mais les données présentées ici provien...

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Modeling the Size Spectrum for Macroinvertebrates and Fishes in Stream Ecosystems

Il s'agit d'un protocole visant à modéliser le spectre de taille (rapport d'échelle entre la masse individuelle et la densité de population) pour les données combinées sur les poissons et les invertébrés provenant des cours d'eau et des rivières. Les méthodes comprennent : les techniques de terrain pour recueillir des échantillons quantitatifs de poissons et d'invertébrés; méthodes de laboratoire pour normaliser les données sur le terrain; et l'analyse des données statistiques.

Modélisation du spectre de taille pour les macroinvertébrés et les poissons dans les écosystèmes des cours d'eau

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

Le spectre de taille prédit l’abondance en fonction de la taille individuelle. La recherche sur les spectres de taille suggère une forte similitude dans l’abondance d’organismes relativement petits et grands provenant d’écosystèmes divers. Contrairement aux relations traditionnelles d’échelle de taille qui utilisent des tailles moyennes au niveau des espèces, les modèles de spectre de taille sont ataxiques et peuvent tenir compte de la taille de chaque individu dans l’échantillon.Brandon Gravett, Sarah Headley et Giancarlo Racanelli, techniciens sur le terrain, feront la démonstration de la procédure. Après avoir identifié les extrémités en amont et en aval de la portée de l’étude, marquez les extrémités avec du ruban signalétable amovible. Mesurez la largeur du chenal humide du cours d’eau à cinq à 10 transects répartis uniformément le long de la portée de l’étude et estimez la superficie totale de l’étude à mesure que la largeur moyenne du chenal mouillé est multipliée par la longueur totale de la portée.Faire un nœud bowline lâche à chaque extrémité d’un morceau de corde de polypropylène et enrouler la corde autour d’un arbre, racine, grande roche, ou tout autre objet solide aux extrémités en haut et en aval de l’étude atteindre comme une ancre. Alimentez une boucle à travers l’autre pour créer un point d’ancrage et raccourcir ou allonger l’ancre de corde en ajoutant ou en enlevant les enveloppes autour de l’objet d’ancrage au besoin. Établissez un deuxième point d’ancrage de l’autre côté du cours d’eau comme vous venez de le démontrer, et utilisez un nœud bowline pour créer une boucle dans les lignes à chacun des quatre coins d’un filet de bloc de maille moyen à grossier.À l’aide de sangles d’attache Cam Action, connectez les deux côtés de la ligne supérieure dans le filet de bloc aux points d’ancrage et insérez les crochets à chaque extrémité de la sangle de attache dans les boucles aux coins du filet de bloc et des points d’ancrage. Tirez l’attache libre de la sangle d’attache à travers la boucle cam pour serrer chaque point de contact, et épingler la ligne de fond du filet de bloc à la banque de ruisseaux avec des pieux de tente. Placez de grosses roches sur le côté du filet orienté vers l’amont pour épingler le filet de bloc vers le bas pour établir un joint avec le fond du ruisseau, en prenant soin que le haut du filet reste au-dessus du niveau de l’eau.Ensuite, placez un filet de deuxième bloc à l’extrémité aval de l’étude atteindre de la même manière. Pour effectuer un passage d’épuisement de l’échantillonnage des poissons, à partir de l’extrémité aval de la portée de l’étude ci-jointe, allumez l’électropêche sac à dos et traversez le cours d’eau en amont. Progressez lentement, se déplaçant d’un côté à l’autre tout au long de l’étude pour s’assurer que tous les habitats du cours d’eau sont échantillonnés, et que les membres de l’équipage de soutien suivent pour recueillir les poissons étourdis avec des filets de trempette lorsqu’ils sont repérés.Transférer le poisson dans des seaux temporaires, puis dans des bacs de fixation aérés. Utilisez de petites pompes à godets à appâts alimentés par batterie avec des pierres d’aération pour s’assurer que les poissons capturés demeurent en bonne santé. Portez une attention particulière à divers petits poissons de l’année car ils sont difficiles à repérer et à capturer.Le premier passage d’épuisement est complet lorsque le filet en amont est atteint. Pour le traitement du premier poisson de passage d’épuisement, utilisez de petits filets de trempette pour récupérer les poissons échantillonnés dans le réservoir de détention individuellement ou en petits lots pour identification, et placez les spécimens dans des plateaux blancs. À l’aide de forceps et d’une loupe, identifiez chaque poisson, puis mesurez sa longueur totale de la pointe du museau jusqu’à l’extrémité de la nageoire caudale sur une planche à mesurer, et pesez-le sur un équilibre de champ avec une précision de 0,1 ou 0,01 gramme.Enregistrez ensuite l’identité de l’espèce ainsi que la longueur et le poids totaux de chaque spécimen sur des fiches de données étanches. Une fois transformés, remettre les poissons dans un bac de récupération aéré séparé avant de libérer tous les poissons en aval du filet de blocs en aval. Choisissez des sites d’échantillonnage benthiques d’échantillons de macroinvertébrés à l’intérieur des limites de la portée d’échantillonnage des poissons qui sont représentatifs des principaux types d’habitats physiques observés dans la portée de l’étude.Placez fermement un dispositif d’échantillonnage de zone fixe approprié contre le fond du cours d’eau avec le filet de collecte de l’échantillon orienté vers l’aval et déplacez les grands pavés au besoin pour établir un joint ferme avec le substrat. Utilisez une brosse pour frotter vigoureusement le substrat dans la zone d’échantillonnage pendant deux minutes, ce qui permet aux macroinvertébrés benthiques délogés de dériver dans le filet de l’échantillon. Transférer le contenu de l’échantillon du filet dans un bocal en plastique et conserver les spécimens dans 70% d’alcool isopropyle.Étiquetez ensuite le bocal et rangez-le dans un endroit sûr pour un transfert ultérieur au laboratoire. Lorsque toutes les données benthiques sur les macroinvertébrés et les poissons ont été correctement formatées et tracées, une relation nette négative entre la masse corporelle individuelle et la densité normalisée est souvent apparente. Ce spectre de taille reflète une transition prévisible des invertébrés les plus petits et les plus abondants tels que les moucherons et les petites moucherons aux caddisflies et aux mouches des pierres plus grandes aux poissons comme indiqué ici pour des échantillons de Slaunch Fork, virginie occidentale.Des relations spectra de taille similaire ont été détectées pour les macroinvertébrés benthiques chez les poissons de Camp Creek et de Cabin Creek, deux autres cours d’eau de Virginie-Occidentale, et la régression linéaire a été utilisée pour modéliser la relation. Les pentes des spectres de taille se situent toutes entre 1,7 et 1,8 avec des intervalles de confiance de 95 % qui se chevauchent. Cette similitude indique que l’abondance diminue à mesure que la taille du corps augmente à des taux à peu près égaux dans les trois cours d’eau.Toutefois, les différentes interceptions de spectres de taille révèlent que les différences dans la densité globale sont variables entre les cours d’eau, mais les densités les plus élevées observées dans le ruisseau Camp et les densités beaucoup plus faibles mesurées dans le ruisseau Cabin. À mesure que le nombre d’études de spectres de taille augmentera, des tests critiques des effets des différentes influences environnementales sur le spectre de la taille deviendront possibles. Il est important de se rappeler que tout travail sur le terrain comporte un certain risque et que l’électropêche, en particulier, peut être dangereuse.Il est donc essentiel que tous les membres d’équipage soient correctement formés.

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