Name: modeling the size spectrum for macroinvertebrates and fishes in stream ecosystems
Uploaded: 2019-07-30T14:00:00
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I finanziamenti per questo lavoro sono stati forniti dalla National Science Foundation (grant DEB-1553111) e dalla Eppley Foundation for Scientific Research. Questo manoscritto è il contributo del VCU Rice Rivers Center #89.

Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (IACUC) della Virginia Commonwealth University.
1. Raccolta e trattamento di campioni di pesce
<ol><li>Isolare i pesci all'interno dello studio raggiungono la creazione di un assemblaggio di pesci chiusi
	<ol>
<li>Identificare le estremità a monte e a valle (direzione rispetto a un geometra rivolto verso "a monte" e contro la corrente d'acqua) dell...

Questo protocollo spettrale di dimensioni atassiche può essere utilizzato per quantificare e modellare la struttura delle dimensioni all'interno di comunità di pesci di flusso e invertebrati. Precedenti studi sugli spettri di dimensioni negli ecosistemi dei corsi d'acqua hanno spaziato dalla ricerca descrittiva di base39,40 ai confronti lungo un profilo longitudinale del fiume41 e tra regioni biogeografiche distinte42</...

Le relazioni di scala delle dimensioni del corpo, come l'associazione positiva tra la massa corporea e il tasso metabolico, sono ben note a livello di singolo organismo e sono ora studiate a livelli più elevati di organizzazione1,2,3 . Queste relazioni allometriche sono più spesso funzioni di diritto-potere della forma Y - aMb, dove Y è la variabile di interesse (ad esempio, metabolismo, abbondanza o dimensione della gamma domestica), M è la massa corporea di un singolo o medio individual, b è un coefficiente di scala e a è una costante. Per comodità statistica, i dati Y e M sono spesso trasformati in registro prima dell'analisi, quindi modellati con equazioni lineari del log del modulo (Y) , log (a ) e registro b (M), dove b e log ( a) diventano rispettivamente la pendenza e l'intercettazione del modello lineare.
Lo spettro delle dimensioni è un tipo di relazione allometrica che prevede la densità (D, il numero di individui per unità di superficie) o biomassa (B, la massa sommata di individui per unità di area) in funzione di M (vedere la sezione 4 per ulteriori informazioni sull'uso di stime "normalizzate" di D o B.) Come altre relazioni di ridimensionamento tra M e D o tra M e B, lo spettro delle dimensioni svolge un ruolo centrale nell'ecologia di base e applicata. A livello di popolazione, i biologi spesso interpretano le relazioni D <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> </img> M negative come prova della sopravvivenza dipendente dalla densità o come modelli di capacità di trasporto dell'ecosistema (cioè la "regola di auto-sottilezione")4, 5. A livello di comunità, le relazioni B <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> </img> M possono essere utilizzate per studiare gli effetti a livello di sistema delle perturbazioni antropogeniche, come la pesca selettiva delle dimensioni6,7. La scala allometrica di D e B con M sono anche al centro dei recenti sforzi per unire l'ecologia della popolazione, della comunità e dell'ecosistema2,8,9.  
Una caratteristica particolarmente importante dello spettro di dimensioni è il fatto che è interamente ataxic9,10. Questo punto è facile da perdere quando si confrontano grafici scatter di dati D <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> </img> M o B <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/59945/59945img01.jpg"> </img> M, ma la distinzione tra modelli taxie e atassici è fondamentale. Nei modelli di taxi, un singolo valore M viene utilizzato per rappresentare la massa corporea media di ogni individuo di una data specie o taxa11. Nei modelli atassici, tutti gli individui all'interno di un set di dati sono partizionati tra una serie di intervalli di dimensioni del corpo o contenitori M, indipendentemente dalla loro identità tassonomica12. Quest'ultimo approccio atassico è vantaggioso negli ecosistemi acquatici in cui molti taxa mostrano una crescita indeterminata e sperimentano uno o più cambiamenti ontogenetici nel comportamento alimentare; in questi casi, una singola media M a livello di specie oscurerà il fatto che una specie può ricoprire diversi ruoli funzionali nel corso della sua storia di vita9,13,14. 
Qui, presentiamo un protocollo completo per quantificare lo spettro delle dimensioni all'interno di corsi d'acqua guachetabili e fiumi. Il protocollo inizia con i metodi di campionamento sul campo per raccogliere i pesci necessari e i dati macroinvertebrati bentici. I pesci saranno raccolti attraverso un processo di campionamento "esaurimento a tre passaggi". L'abbondanza sarà quindi stimata dai dati di esaurimento con il metodo15. Nel campionamento di esaurimento, i singoli pesci entro una portata di studio chiusa (cioè, gli individui non possono entrare né uscire dalla portata chiusa) vengono rimossi dalla portata attraverso tre campioni successivi. Pertanto, il numero di pesci rimanenti si esaurirà progressivamente. Da questa tendenza di esaurimento, l'abbondanza totale all'interno della portata dello studio può essere stimata poi convertito in D (nel pesce per m2), utilizzando la superficie nota della portata dello studio. I macroinvertebrati bentici saranno raccolti con campionatori di area fissa standard, quindi identificati e misurati in laboratorio.
Successivamente, i dati combinati di pesci e macroinvertebrati saranno partizionati tra i contenitori di dimensioni. Tradizionalmente, l'ottava o la scala del log2 (cioè gli intervalli di raddoppio) è stata utilizzata per impostare i limiti del contenitore di dimensioni16. Una volta stabilito un elenco di contenitori di dimensioni, il partizionamento dei singoli macroinvertebrati bentici tra i rispettivi contenitori di dimensioni è semplice perché gli invertebrati sono direttamente enumerati come numero di individui per area unitaria. Tuttavia, la stima dell'abbondanza di pesce all'interno dei bidoni di dimensioni è più astratta perché queste stime vengono dedotte dai dati di esaurimento. Vengono quindi fornite istruzioni dettagliate per stimare l'abbondanza di pesce all'interno dei contenitori di dimensioni, indipendentemente dall'identità tassonomica, dai dati del campione di esaurimento.
Infine, la regressione lineare verrà utilizzata per modellare lo spettro delle dimensioni. Questo protocollo è pienamente compatibile con il metodo originale e generale di Kerr e Dickie16 ed identico ai metodi utilizzati da McGarvey e Kirk, 201817 in uno studio degli spettri di dimensioni dei pesci e degli invertebrati nei corsi d'acqua della Virginia Occidentale. Utilizzando questo protocollo, i ricercatori possono assicurarsi che i loro risultati siano direttamente comparabili con altri studi che si basano su Kerr e Dickie16, accelerando così una comprensione ampia e solida delle relazioni di ridimensionamento delle dimensioni del corpo in acqua dolce ecosistemi e i meccanismi che li guidano.

<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

Lo spettro delle dimensioni è una relazione di scala inversa e allometrica tra la massa corporea media (M) e la densità (D) degli individui all'interno di una comunità ecologica o di una rete alimentare. È importante sottolineare che lo spettro delle dimensioni presuppone che la dimensione individuale, piuttosto che le caratteristiche comportamentali o di storia della vita delle specie, sia il principale determinante dell'abbondanza all'interno di un ecosistema. Così, a differenza delle tradizionali relazioni allometriche che si concentrano sui dati a livello di specie (ad esempio, la dimensione corporea delle specie medie rispetto alla densità della popolazione), le analisi degli spettri di dimensioni sono "ataxiche": i singoli esemplari sono identificati solo dalle loro dimensioni, senza considerare la loro identità tassonomica. I modelli di spettri di dimensione sono rappresentazioni efficienti di web alimentari tradizionali e complesse e possono essere utilizzati in contesti descrittivi e predittivi (ad esempio, prevedere le risposte dei grandi consumatori ai cambiamenti nelle risorse basali). Studi empirici provenienti da diversi ecosistemi acquatici hanno anche segnalato livelli da moderati ad alti di somiglianza nei pendii degli spettri di dimensioni, suggerendo che i processi comuni possono regolare l'abbondanza di organismi piccoli e grandi in contesti molto diversi. Questo è un protocollo per modellare lo spettro delle dimensioni a livello di comunità in flussi guadibili. Il protocollo è costituito da tre passaggi principali. In primo luogo, raccogliere campioni quantitativi di pesci benthici e invertebrati che possono essere utilizzati per stimare le densità locali. In secondo luogo, standardizzare i dati relativi ai pesci e agli invertebrati convertendo tutti gli individui in unità atassiche (cioè individui identificati per dimensione, indipendentemente dall'identità tassonomica) e sommando gli individui all'interno di contenitori di dimensioni log 2. In terzo luogo, utilizzare la regressione lineare per modellare la relazione tra le stime ataxic M e D. Istruzioni dettagliate sono fornite qui per completare ciascuno di questi passaggi, tra cui software personalizzato per facilitare la stima D e la modellazione degli spettri di dimensioni.

Risultati esemplari, compresi i dati originali sul campo, sono presentati per Slaunch Fork, Virginia Occidentale, un piccolo ruscello nel sud della Virginia Occidentale. Ulteriori risultati del modello di spettri di dimensioni sono presentati anche per altri due corsi d'acqua nella stessa regione: Camp Creek e Cabin Creek, West Virginia. Questi sono i tre siti di studio inclusi in McGarvey e Kirk17, ma i dati presentati qui sono da nuovi campioni raccolti nel maggio 2015. Un esempio manuale comple...

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Modeling the Size Spectrum for Macroinvertebrates and Fishes in Stream Ecosystems

Questo è un protocollo per modellare lo spettro delle dimensioni (relazione di ridimensionamento tra massa individuale e densità di popolazione) per i pesci combinati e i dati invertebrati provenienti da corsi d'acqua e fiumi guadolabili. I metodi includono: tecniche sul campo per raccogliere campioni quantitativi di pesci e invertebrati; metodi di laboratorio per standardizzare i dati di campo; e l'analisi statistica dei dati.

Modellazione dello spettro delle dimensioni per macroinvertebrati e pesci negli ecosistemi di flusso

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

Lo spettro delle dimensioni prevede l'abbondanza in funzione delle singole dimensioni. La ricerca sugli spettri di dimensioni suggerisce una forte somiglianza nell'abbondanza di organismi relativamente piccoli e grandi provenienti da diversi ecosistemi. A differenza delle tradizionali relazioni di ridimensionamento dell'abbondanza delle dimensioni che utilizzano dimensioni medie a livello di specie, i modelli di spettro delle dimensioni sono atassici e possono tenere conto delle dimensioni di ogni individuo all'interno del campione.A dimostrare la procedura saranno Brandon Gravett, Sarah Headley e Giancarlo Racanelli, tecnici sul campo. Dopo aver identificato le estremità a monte e a valle della portata dello studio, contrassegnare le estremità con nastro di segnalazione rimovibile. Misurare la larghezza del canale del flusso bagnato a cinque-10 transetti distribuiti uniformemente lungo la lunghezza della portata dello studio e stimare la superficie totale della portata dello studio come larghezza media del canale bagnato moltiplicata per la lunghezza totale della portata.Fai un nodo di bowline sciolto in ogni estremità di un pezzo di corda di polipropilene e avvolgi la corda intorno a un albero, una radice, una grande roccia o altro oggetto solido alle estremità superiore e a valle della portata dello studio come ancora. Alimenta un anello attraverso l'altro per creare un punto di ancoraggio e accorciare o allungare l'ancora della corda aggiungendo o rimuovendo gli involucri intorno all'oggetto di ancoraggio, se necessario. Stabilire un secondo punto di ancoraggio sul lato opposto del flusso come appena dimostrato e utilizzare un nodo bowline per creare un anello nelle linee in ciascuno dei quattro angoli di una rete a rete media-grossolana.Utilizzando le cinghie di collegamento Cam Action, collegare entrambi i lati della linea superiore nella rete di blocco ai punti di ancoraggio e inserire i ganci a entrambe le estremità della cinghia di legatura nei loop agli angoli della rete di blocco e ai punti di ancoraggio. Tirare il tether libero della cinghia di legatura attraverso la fibbia Cam per stringere ogni punto di contatto e inchiodare la linea di fondo della rete di blocco alla banca del flusso con pali della tenda. Posizionare grandi rocce sul lato della rete rivolto verso l'alto per fissare la rete di blocco verso il basso per stabilire una tenuta con il fondo del torrente, facendo attenzione che la parte superiore della rete rimanga sopra il livello dell'acqua.Quindi impostare una rete di secondo blocco all'estremità a valle della portata dello studio nello stesso modo. Per eseguire una passata di esaurimento del campionamento del pesce, a partire dall'estremità a valle della portata dello studio chiuso, accendere l'elettrosciutista dello zaino e spostarsi attraverso il torrente nella direzione a monte. Progredisci lentamente, spostandoti da un lato all'altro durante la portata dello studio per garantire che tutti gli habitat in-stream siano campionati e che i membri dell'equipaggio di supporto seguano per raccogliere pesci storditi con reti da tuffo mentre vengono avvistati.Trasferire il pesce in secchi temporanei, quindi in vasche di detenzione aerate. Utilizzare piccole pompe a secchiello per esche alimentate a batteria con pietre di aerazione per garantire che i pesci catturati rimangano sani. Prestare particolare attenzione a vari piccoli pesci giovani dell'anno in quanto sono difficili da individuare e catturare.Il primo passaggio di esaurimento è completo quando viene raggiunta la rete upstream. Per la lavorazione del primo pesce passa di esaurimento, utilizzare piccole reti da immersione per recuperare i pesci campionati dal serbatoio di detenzione singolarmente o in piccoli lotti per l'identificazione e posizionare i campioni in vassoi bianchi. Utilizzando le forcep e una lente d'ingrandimento, identificare ogni pesce, quindi misurare la sua lunghezza totale dalla punta del muso all'estremità della pinna caudale su un piano di misurazione e pesarlo su un bilanciamento del campo con una precisione di 0,1 o 0,01 grammi.Quindi registrare l'identità della specie e la lunghezza totale e il peso per ogni campione su schede dati impermeabili. Una volta lavorati, riportare i pesci in un bidone di recupero aerato separato prima di rilasciare tutto il pesce a valle della rete a blocchi a valle. Selezionare siti campione di macroinvertebrati bentotici entro i limiti della portata di campionamento dei pesci che sono rappresentativi dei principali tipi di habitat fisici osservati nella portata dello studio.Posizionare saldamente un apposito dispositivo di campionamento ad area fissa sul fondo del flusso con la rete di raccolta del campione orientata a valle e spostare grandi ciottoli se necessario per stabilire una tenuta solida con il substrato. Utilizzare un pennello per strofinare vigorosamente il substrato all'interno dell'area di campionamento per due minuti, consentendo ai macroinvertebrati bentodici slogati di andare alla deriva nella rete del campione. Trasferire il contenuto del campione dalla rete a un barattolo di plastica e conservare i campioni in alcol isopropile al 70%.Quindi etichettare il barattolo e conservarlo in un luogo sicuro per un successivo trasferimento in laboratorio. Quando tutti i dati del macroinvertebrato e del pesce bentodici sono stati formattati e tracciati correttamente, è spesso evidente una chiara relazione negativa tra la massa corporea individuale e la densità normalizzata. Questo spettro di dimensioni riflette una transizione prevedibile dagli invertebrati più piccoli e abbondanti come moscerini e piccoli mayflies a caddisflies e lucciole più grandi ai pesci, come mostrato qui per campioni da Slaunch Fork, West Virginia.Relazioni spettrali di dimensioni simili sono state rilevate per i macroinvertebrati bentotici nei pesci di Camp Creek e Cabin Creek, altri due corsi d'acqua della Virginia Occidentale, e la regressione lineare è stata utilizzata per modellare la relazione. Le pendenze degli spettri di dimensioni erano tutte tra l'1,7 e l'1,8 con intervalli di confidenza sovrapposti del 95%. Questa somiglianza indica che l'abbondanza diminuisce man mano che la dimensione corporea aumenta a tassi approssimativamente uguali in tutti e tre i corsi d'acqua.Tuttavia, le diverse intercette degli spettri di dimensioni rivelano che le differenze nella densità complessiva sono variabili tra i corsi d'acqua, ma le densità più alte osservate a Camp Creek e le densità molto più basse misurate in Cabin Creek. Con l'aumento del numero di studi sugli spettri di dimensione, saranno possibili test critici degli effetti delle diverse influenze ambientali sullo spettro delle dimensioni. È importante ricordare che tutto il lavoro sul campo comporta qualche rischio e che l'elettrosfruttamento, in particolare, può essere pericoloso.È quindi essenziale che tutti i membri dell'equipaggio siano adeguatamente formati.

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