EKOLOGICKÝCH EXPERIMENTŮ

Transkript

1 DESIGN EKOLOGICKÝCH EXPERIMENTŮ To call in the statistician after the experiment is done may be no more than asking him to perform a post mortem examination: he may be able to say what the experiment died of. Sir Ronald Fisher, Indian Statistical Congress, Sankhya 1939

2 ZÁKLADNÍ OTÁZKA: CO CHCI EXPERIMENTEM ZJISTIT? Jaká je variabilita proměnné Y v čase nebo prostoru? pattern description nejčastější otázka v ekologických observačních studiích Má faktor X vliv na proměnnou Y? hypothesis testing, otázka pro manipulativní experiment může platit i pro některé přírodní experimenty, ale výsledky těchto testů jsou podstatně slabší (nemáme kontrolu nad vlivem ostatních faktorů, které mohou výsledky ovlivnit) Chová se proměnná Y tak, jak předpovídá hypotéza H? klasická konfrontace mezi teorií a reálnými daty platí pro data získaná jak manipulativním tak přírodním experimentem ne vždy je snadné najít správnou hypotézu Jaký model nejlépe vystihuje vztah mezi faktorem X a proměnnou Y? experimentem sbíráme podklady pro matematické modelování 274

3 MANIPULATIVNÍ VS PŘÍRODNÍ EXPERIMENTY Manipulativní experimenty uměle manipulujeme vysvětlující proměnnou (X) a sledujeme reakci vysvětlované proměnné (Y) umožňuje přímé testování hypotéz známe směr vztahu mezi příčinou a důsledkem - kauzalita Přírodní experimenty (pozorování, observační studie) vysvětlující proměnnou manipuluje sama příroda slouží spíše ke generování než testování hypotéz neznáme směr vztahu mezi příčinou a důsledkem - korelace 275

4 MANIPULATIVNÍ VS PŘÍRODNÍ EXPERIMENTY SROVNÁNÍ TESTOVANÝCH HYPOTÉZ Příklad: na ostrovech v Karibiku sledujeme vztah mezi počtem ještěrek na určité ploše a počtem pavouků (Gotelli & Ellison 2004) Manipulativní experiment Provedení: v jednotlivých plochách (klecích) je uměle ovlivněn počet ještěrek a sledováno množství pavouků Nulová hypotéza: počet ještěrek nemá vliv na počet pavouků v klecích Alternativní hypotéza: se vzrůstající hustotou ještěrek klesá počet pavouků (ještěrky žerou pavouky) 276

5 MANIPULATIVNÍ VS PŘÍRODNÍ EXPERIMENTY Přírodní experiment (pozorování, observační studie) Provedení: SROVNÁNÍ TESTOVANÝCH HYPOTÉZ na vybraných plochách je sledován počet ještěrek a počet pavouků. Vybíráme plochy (nebo ostrovy) s různou hustotou ještěrek (hustota ještěrek tedy není přímo manipulována, ale záleží na jiných faktorech). Možné hypotézy vysvětlující negativní vztah mezi ještěrkami a pavouky: 1. počet ještěrek (negativně) ovlivňuje počet pavouků (ještěrky žerou pavouky) 2. počet pavouků má vliv na počet ještěrek (draví pavouci napadají mláďata ještěrek) 3. počet ještěrek i pavouků je ovlivňován neměřeným faktorem prostředí (třeba vlhkostí) 4. některý faktor prostředí ovlivňuje sílu vztahu mezi ještěrkami a pavouky (třeba zase vlhkost) Možná řešení: 1. vybírat plochy tak, aby se omezila variabilita vlhkosti (sledovat třeba jen vlhké plochy, které se liší hustotou ještěrek) 2. dodatečně měřit faktory, které mohou ovlivňovat vztah (např. onu vlhkost) 277

6 závisle proměnná závisle proměnná MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT PRESS VS PULSE EXPERIMENT Press experiment (experiment pod stálým tlakem ) zásah je proveden na začátku experimentu a pak znovu v pravidelných intervalech měří resistenci systému na experimentální zásah jak je systém (společenstvo) schopné odolávat, případně se přizpůsobit změnám v podmínkách prostředí Pulse experiment (pulzní experiment, jednou a dost ) zásah je proveden jen jednou, obvykle na začátku experimentu měří resilienci systému jak pružně je systém (společenstvo) schopné reagovat na experimentální zásah čas čas 278

7 PŘÍRODNÍ EXPERIMENT (POZOROVÁNÍ) SNAPSHOT VS TRAJECTORY EXPERIMENT Snapshot experiment (momentka) opakuje se v prostoru, ale ne v čase sběr vzorků provedu na několika (mnoha) lokalitách v relativně krátkém čase (týden, sezóna, dva roky sběru dat pro diplomku...) představuje většinu přírodních experimentů v ekologii zahrnuje i sukcesní studie, kdy sledujeme zároveň různá sukcesní stadia Trajectory experiment (sledujeme trajektorii procesu v čase) opakuje se v čase (a případně i v prostoru) sběr vzorků se na daných (většinou pevně vymezených plochách) opakuje několikrát za sebou sukcesní studie prováděné několik let, trvalé plochy v lesních porostech opakovaně měřené jednou za x let 279

8 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT ZÁKLADNÍ TYPY ROZMÍSTĚNÍ PLOCH kompletně znáhodněný design nebere v úvahu heterogenitu prostředí ne vždy je nejvhodnější znáhodněné bloky vlastní bloky jsou vnitřně homogenní (pokud možno) počet bloků = počet opakování bloky jsou umístěné podle gradientu prostředí v každém bloku je právě jedna replikace každého zásahu gradient prostředí 280

9 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT ZÁKLADNÍ TYPY ROZMÍSTĚNÍ PLOCH latinský čtverec předpokládá přítomnost dvou gradientů v prostředí každý sloupec a každý řádek obsahuje právě jednu variantu zásahu možno použít i několik latinských čtverců gradient 1 gradient 2 281

10 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT NEJČASTĚJŠÍ CHYBY pseudoreplikace testovat lze jen rozdíly v průměrech jednotlivých bloků plochy se stejným zásahem jsou umístěny blízko sebe, a mají proto větší pravděpodobnost, že si budou podobné i bez vlivu vlastního zásahu neúplně znáhodněný design v podstatě pseudoreplikace, jen méně zřejmá gradient prostředí gradient prostředí 282

11 gradient prostředí gradient prostředí gradient prostředí MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT NEJČASTĚJŠÍ CHYBY design se znáhodněnými bloky špatná orientace bloků správně špatně špatně 283

12 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT S VÍCE NEŽ JEDNÍM TYPEM ZÁSAHU faktoriální design každá hladina prvního faktoru je kombinovaná s každou hladinou druhého faktoru (případně třetího atd.) například kombinace koseno vs nekoseno hnojeno vs nehnojeno jednotlivé kombinace mohou být rozmístěny v prostoru např. v rámci latinského čtverce ano ne koseno hnojeno 284

13 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT S VÍCE NEŽ JEDNÍM TYPEM ZÁSAHU split-plot design faktory jsou strukturovány hierarchicky (nested) například plochy hnojené různými hnojivy (C, N, P) v rámci bloků umístěných na vápenci (modrá) a žule (červená barva) N N P C C P N C P C P N P P N C C N 285

14 letecký pohled plán zásahů MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY PŘÍPADOVÉ STUDIE ROTHAMSTED (ENGLAND) PARK GRASSLAND EXPERIMENT (ZALOŽEN 1843) 286 Silvertown et al. (2006) J. Ecol.

15 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY PŘÍPADOVÉ STUDIE ROTHAMSTED (ENGLAND) PARK GRASSLAND EXP. 287 Třídění bylinné biomasy do druhů (kolem roku 1930) (

16 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY PŘÍPADOVÉ STUDIE KOMPETICE O SVĚTLO V EXPERIMENTÁLNÍM PROSTŘEDÍ Při vyšším přísunu živin rostou rostliny rychleji a začnou si konkurovat o světlo tak proč jim trochu nepřisvítit? Hautier et al. (2009) Science 324:

17 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY PŘÍPADOVÉ STUDIE KOMPETICE O SVĚTLO V EXPERIMENTÁLNÍM PROSTŘEDÍ 289 Hautier et al. (2009) Science 324:

18 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY PŘÍPADOVÉ STUDIE STANOVENÍ POTENCIÁLNÍ STANOVIŠTNÍ PRODUKTIVITY V DOUBRAVÁCH PĚSTOVÁNÍM ŘEDKVIČEK VE SKLENÍKU 290 Veselá et. al (2008): Bioassay experiment for assessment of site productivity in oak forests. - 17th International Workshop European Vegetation Survey, Brno, Czech Republic,

19 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY PŘÍPADOVÉ STUDIE MEZOKOSMOVÝ EXPERIMENT S HMYZEM A PREDÁTORY Kádě, které samy o sobě nejsou obsazeny predátory (larvy vážek a pstruzi), ale jsou v blízkosti kádí s predátory, jsou pro létající hmyz kladoucí vajíčka stejně neatraktivní jako vlastní kádě s predátory. na začátku experimentu Wesner et al. (2012) Ecology 93:

20 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY PŘÍPADOVÉ STUDIE VLIV HERBIVORNÍCH RYB NA DRUHOVÉ SLOŽENÍ KORÁLOVÝCH ÚTESŮ hustá klec zabrání všem rybám na začátku experimentu... řídká klec zabrání jen velkým rybám... a po čtyřech měsících pod klecí Atol Agatti (Lakedivy, Indie) 292 Autor: Nicole Černohorská (v rámci disertační práce)

21 detailní pohled na korálový útes s nárostem řas (autor: Nicole Černohorská) 293

22 PŘÍRODNÍ EXPERIMENT (OBSERVAČNÍ STUDIE) ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH Preferenční 294

23 PŘÍRODNÍ EXPERIMENT (OBSERVAČNÍ STUDIE) ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH Systematické rozmístění v síti (lattice) 295

24 PŘÍRODNÍ EXPERIMENT (OBSERVAČNÍ STUDIE) ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH Systematické rozmístění v síti (grid) 296

25 PŘÍRODNÍ EXPERIMENT (OBSERVAČNÍ STUDIE) ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH Systematické rozmístění na transektu 297

26 PŘÍRODNÍ EXPERIMENT (OBSERVAČNÍ STUDIE) ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH Náhodné rozmístění 298

27 PŘÍRODNÍ EXPERIMENT (OBSERVAČNÍ STUDIE) ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH Preferenční rozmístění statistické hledisko: snímky nejsou náhodným výběrem, což limituje jejich použití při statistických analýzách (Lajer 2007, Folia Geobotanica) hledisko vegetačního ekologa: popisují maximální variabilitu vegetace praktické důsledky: snímky bývají druhově bohatší, obsahují větší počet diagnostických nebo vzácných druhů Náhodné (a systematické) rozmístění statistické hledisko: snímky jsou náhodným výběrem v reálném prostoru (ne ale v ekologickém hyperprostoru) hledisko veg. ekologa: nezachytí celou variabilitu vegetace - chybí maloplošné a vzácné vegetační typy, převládají velkoplošné a běžné typy, zahrnují řadu špatně klasifikovatelných vegetačních přechodů praktické důsledky: snímky odrážejí reálnou strukturu a bohatost vegetace v krajině, ale metoda je neúměrně pracná 299

28 PŘÍRODNÍ EXPERIMENT (OBSERVAČNÍ STUDIE) ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH Stratifikované náhodné rozmístění 300

29 STRATIFIKACE KRAJINY V GIS Teplota Srážky Půdní typy Stratifikované jednotky Austin et al

30 PROSTOROVÁ AUTOKORELACE bližší plochy jsou si podobnější 302

31 PROSTOROVÁ AUTOKORELACE vlastnosti určitého pozorování (vzorku) mohou být do určité míry odvozeny z pozorování v jeho okolí jednotlivá pozorování na sobě nejsou nezávislá běžná vlastnost prakticky všech reálných ekologických dat příroda se nechová podle zákonů statistiky může být pozitivní (bližší vzorky jsou si podobnější než by odpovídalo jejich náhodnému výběru) nebo negativní (sousední vzorky jsou si méně podobné než kdyby byly vybrány náhodou, např. v důsledku tzv. Janzen-Connellovy hypotézy) Vše souvisí se vším, ale bližší věci spolu souvisejí více než ty vzdálené Waldo Tobler (1969), První zákon geografie 303

32 PROSTOROVÁ AUTOKORELACE Co způsobuje prostorovou autokorelaci biologických dat? omezené možnosti disperze, genetický tok nebo klonální růst sousedé jsou si podobnější organismy jsou omezeny ekologickými faktory (například vlhkost nebo teplota), které jsou samy o sobě prostorově autokorelovány Jak se prostorová autokorelace projevuje při analýze dat? pozitivní PA zvyšuje pravděpodobnost chyby prvního druhy (Type I error), totiž že zamítneme nulovou hypotézu, která platí (statistické testy vycházejí průkazněji než by měly) negativní PA způsobuje opačný efekt problém je v počtu stupňů volnosti (degrees of freedom): pokud si stupně volnosti představíme jako množství informace, kterou každý nový vzorek přináší, pak každý nový nezávislý vzorek přináší jeden stupeň volnosti, ale prostorově autokorelovaný vzorek přináší méně 304

33 PROSTOROVÁ AUTOKORELACE Příklad: Vliv nadmořské výšky na vegetaci, studovaný pomocí transektů vedených podél nadmořské výšky prostorově neautokorelované transekty (každý transekt na různé hoře) prostorově autokorelované transekty (paralelně vedle sebe na jedné hoře) 305

34 PROBLÉM PROSTOROVÉ ŠKÁLY (SCALE OF THE STUDY) zrno (grain size) velikost nejmenší studované jednotky, zpravidla vzorkované plochy, dána vlastností a velikostí studovaných organismů rozsah (extent) velikost studovaného území, zachycení různých ekologických faktorů interval vzdálenost mezi vzorkovanými plochami Platí pravidlo, že studie malého rozsahu jsou hůře zobecnitelné 306 Legendre & Legendre (1998)

35 TVAR PLOCHY čtvercová obdélníková kruhová čtverec obdélník kruh celková plocha 100 m m m 2 rozměr tvaru m 20 5 m poloměr 5,64 m obvod 40 m 50 m ~ 35 m 307

36 gradient prostředí VLIV TVARU A ORIENTACE PLOCHY NA ZAZNAMENANOU DRUHOVOU BOHATOST obdélníkové plochy mohou mít vyšší druhovou bohatost než čtvercové plochy (o stejné ploše) 309 Stohlgren et al. (1995) Vegetatio 117: ; Condit et al. (1996) J.Ecol. 84: ; Keeley & Fotheringham (2005) J.Veg.Sci. 16:

37 VELIKOST PLOCHY STUDIUM VEGETACE NA VÍCE MĚŘÍTCÍCH SOUČASNĚ 310

38 VELIKOST PLOCHY STUDIUM VEGETACE NA VÍCE MĚŘÍTCÍCH SOUČASNĚ Vztah mezi velikostí snímku a počtem druhů ve snímku bělokarpatské louky ve srovnání s jinými typy travinné vegetace Jongepierová [ed.](2008): Louky Bílých Karpat. 311

39 VELIKOST PLOCH SPOLEČNÁ ORDINACE PLOCH O RŮZNÉ VELIKOSTI Otýpková & Chytrý (2006), J.Veg.Sci. 17: