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 ¢Manipulativní experimenty —uměle manipulujeme vysvětlující proměnnou (X) a sledujeme reakci vysvětlované proměnné (Y) —umožňuje přímé testování hypotéz —Můžeme ukázat směr a sílu vztahu mezi příčinou a důsledkem – kauzalita ¢Můžeme předpovědět, že změníme-li X o nějakou hodnotu, změní se dle charakteru vztahu i Y ¢ ¢Pozorování, observační studie —Variabilita ve vysvětlující proměnné daná přírodními jevy —slouží spíše k detekci struktur a generování hypotéz než k jejich testování —Nemůžeme určit směr vztahu mezi příčinou a důsledkem – korelace, koincidence ¢Nelze předpovědět, co se stane s Y, když se změní X ¢ ¢ 2 POZOROVÁNÍ VS. MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY ¢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 —Můžeme interpretovat i u některých pozorování na základě externí infomrace. Např celkem dobře tušíme, že korelaci deště s používáním deštníků způsobuje vliv deště na chování lidí, nikoliv, že by lidé pomocí deštníků přivolali déšť. ¢Jaký model nejlépe vystihuje vztah mezi faktorem X a proměnnou Y? —Budování lineárního modelu —sbíráme podklady pro matematické modelování — — — 3 ZÁKLADNÍ OTÁZKA: CO CHCI STUDIÍ ZJISTIT? ¢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) ¢ 4 POZOROVÁNÍ VS. MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY SROVNÁNÍ TESTOVANÝCH HYPOTÉZ ¢Pozorování, observační studie ¢Provedení: —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) 5 POZOROVÁNÍ VS. MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY SROVNÁNÍ TESTOVANÝCH HYPOTÉZ ¢„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 — 6 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT „PRESS“ VS „PULSE“ EXPERIMENT čas čas ¢„Snapshot“ (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 ...). Experiment udělám tak, že data seberu jednou – když skončí —představuje většinu pozorování v ekologii —zahrnuje i sukcesní studie, kdy sledujeme zároveň různá sukcesní stadia — ¢„Trajectory“ experiment (sledujeme trajektorii procesu v čase) —Opakuje se v čase —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 —Sledování několikaletého terénního experimentu v každé sezóně —Before-after-control-impact (BACI) design – 2 momenty: před zásahem a po zásahu 7 „SNAPSHOT“ VS „TRAJECTORY“ SAMPLING ¢Statistické analýzy vyžadují nezávislost jednotlivých pozorování —Možné splňovat u observačních studií (někdy) —Někdy ale nereálné – pak je třeba použít metody pro strukturovaná data ¢Experimenty produkují vždy (trajectory, BACI) nebo většinou (snapshot) strukturovaná data —Struktura dat MUSÍ být ošetřena v analýze —Lineární modely se smíšenými efekty a příbuzné metody ¢Jednorozměrná odpověď ¢Možnost zadat např. experimentální bloky jako faktor s náhodným efekterm —Mnohorozměrné analýzy ¢Struktura dat do analýzy vstupuje pomocí kovariát ¢Úprava permutačních testů významnosti 8 STRUKTURA DAT 9 TRAJECTORY EXPERIMENT – POTLAČENÍ TŘTINY KŘOVIŠTNÍ POMOCÍ POLOPARAZITŮ (TĚŠITEL ET AL. 2017) 10 ¢ 11 ¢kompletně znáhodněný design —nebere v úvahu heterogenitu prostředí —ne vždy je nejvhodnější —Veliké riziko popletení ploch —Opravdové znáhodnění by vyžadovalo zavedení systému souřadnic a v rámci něho určení lokalizace ploch pomocí generování náhodných čísel ¢ ¢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 ¢ 12 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT ZÁKLADNÍ TYPY ROZMÍSTĚNÍ PLOCH gradient prostředí ¢latinský čtverec —předpokládá přítomnost dvou gradientů v prostředí —každý sloupec a každý řádek obsahuje právě jednu variantu zásahu —možno použít i několik latinských čtverců ¢ 13 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT ZÁKLADNÍ TYPY ROZMÍSTĚNÍ PLOCH gradient 1 ¢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 ¢ 14 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT NEJČASTĚJŠÍ CHYBY gradient prostředí gradient prostředí ¢design se znáhodněnými bloky – špatná orientace bloků ¢ 15 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT NEJČASTĚJŠÍ CHYBY správně špatně špatně ano ne koseno hnojeno ¢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 16 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) — ¢ 17 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT S VÍCE NEŽ JEDNÍM TYPEM ZÁSAHU N C P N C P N C P N C P N C P N C P MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY – PŘÍPADOVÉ STUDIE ROTHAMSTED (ENGLAND) – PARK GRASSLAND EXPERIMENT (ZALOŽEN 1843) 18 Rothamsted_Park_Grassland_experiment.jpg Silvertown et al. (2006) J. Ecol. 2.8 ha, experiment započal 1856, původně živinami chudé, kyselé půdy hnojení, vápnění, kosení, prvních patnáct let i pravidelná pastva, která později byla nahrazena druhou sečí 19 Třídění bylinné biomasy do druhů (kolem roku 1930) (http://www.rothamsted.ac.uk) MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY – PŘÍPADOVÉ STUDIE ROTHAMSTED (ENGLAND) – PARK GRASSLAND EXP. MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY – PŘÍPADOVÉ STUDIE KOMPETICE O SVĚTLO V EXPERIMENTÁLNÍM PROSTŘEDÍ 20 http://www.sciencemag.org/content/vol324/issue5927/images/large/324_636_F1.jpeg Hautier et al. (2009) Science 324: 636-638 http://www.nzz.ch/images/ueberduengung_1.2483095.1241106797.jpg Při vyšším přísunu živin rostou rostliny rychleji a začnou si konkurovat o světlo – tak proč jim trochu nepřisvítit? Bloky s travinnými společenstvy, aplikace hnojiva (přísun živin) na část z nich. Do podrostu zabudovány lampy, v polovině případů funkční – dodávaly světlo do podrostu. Sledován byl úbytek diverzity spojený s hnojením – v hnojených plochách bez světla v podrostu diverzita klesala, v hnojených se světlem neklesala. MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY – PŘÍPADOVÉ STUDIE KOMPETICE O SVĚTLO V EXPERIMENTÁLNÍM PROSTŘEDÍ 21 Hautier et al. (2009) Science 324: 636-638 Bloky s travinnými společenstvy, aplikace hnojiva (přísun živin) na část z nich. Do podrostu zabudovány lampy, v polovině případů funkční – dodávaly světlo do podrostu. Sledován byl úbytek diverzity spojený s hnojením – v hnojených plochách bez světla v podrostu diverzita klesala, v hnojených se světlem neklesala. 22 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY – PŘÍPADOVÉ STUDIE STANOVENÍ POTENCIÁLNÍ STANOVIŠTNÍ PRODUKTIVITY V DOUBRAVÁCH PĚSTOVÁNÍM ŘEDKVIČEK VE SKLENÍKU Veselá et. al (2008): Bioassay experiment for assessment of site productivity in oak forests. - 17th International Workshop European Vegetation Survey, Brno, Czech Republic, 1-4. 5. 2008. 23 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY – PŘÍPADOVÉ STUDIE MEZOKOSMOVÝ EXPERIMENT S HMYZEM A PREDÁTORY na začátku experimentu ... Wesner et al. (2012) Ecology 93: 1674-1682 http://esapubs.org/archive/ecol/E093/146/AppAImages/FigA1.jpg C:\Users\Zeleny\Dropbox\uceni\Zpracovani dat\materialy z netu\trout-dragonfly-insect-experiment.jpg http://4.bp.blogspot.com/-dJlACOrFYqE/TfV090ZOj5I/AAAAAAAAAL4/HGrXRHLgdW8/s1600/Ophiogomphus_occide ntis_N.jpg http://nwdragonflier.blogspot.cz http://www.jjphoto.dk/fish_archive/freshwater/salmo_trutta_trutta.jpg http://www.jjphoto.dk 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. Experiment dokazuje, že nejde jen o vlastní kvalitu stanoviště (tzn. nejde jen o to že ve vlastní kádi není predátor a je tam dost Daphnii), ale že při výběru kádí, kam budou klást vajíčka, je pro hmyz určující i blízkost stanoviště, na kterém predátor zrovna je. Kádě bez predátora v těsné blízkosti kádí s predátorem se pro hmyz stává stejně neatraktivní jako samotné kádě s predátorem. Platí to především pro ty druhy hmyzu, jejich larvy jsou méně mobilní, a samička si při kladení musí dávat velký pozor při volbě vhodného stanoviště – a blízkost predátora ji odradí, i když na vlastním stanovišti neaktivuje. 24 MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY – PŘÍPADOVÉ STUDIE VLIV HERBIVORNÍCH RYB NA DRUHOVÉ SLOŽENÍ KORÁLOVÝCH ÚTESŮ agatti cages.jpg week 3 067.jpg C:\Users\Admin\Documents\PhD\cage pics\cage removal,stazeno 2.5\cg chechking after removal 1185.jpg C:\Users\Admin\Documents\PhD\cage pics\cage removal,stazeno 2.5\cg chechking after removal 1297.jpg Atol Agatti (Lakedivy, Indie) hustá klec – zabrání všem rybám řídká klec – zabrání jen velkým rybám na začátku experimentu ... ... a po čtyřech měsících pod klecí Autor: Nicole Černohorská (v rámci disertační práce) Teoretické pozadí: lov herbivorních ryb zřejmě působí na úbytek druhové bohatosti korálů – zelené řasy, které nejsou pod herbivorním tlakem, začnou přerůstat a utlačovat korály, mění se druhové složení. Další vliv můžou mít živiny (vzdálenost od vjezdu do laguny) a disturbance (vnitřní versus vnější pásmo, vnější je víc disturbované vlnami) Otázka: mají herbivorní ryby různých velikostí vliv na druhové složení korálových útesů a zelených makrofytických řas? Metodika: 24 lokalit, 12 vně, 12 uvnitř, na každé lokalitě 5 ploch – dvě zaklecené (husté pletivo zabraňuje vplutí všech makroskopických ryb, řídké jen těch větších), a pak tři kontroly – jedna jen s hustým pletivem nahoře (kontrola zastínění), druhá s hustým pletivem po stranách (kontrola proudění), třetí bez pletiva. Snímkování řas (výška a pokryvnosti) a korálů na ploškách 40 x 40 cm, v 7-10 denních intervalech po čtyři měsíce Klec simuluje odstranění herbivorních ryb různých velikostí. ¢ 25 cg chechking after removal 169.jpg detailní pohled na korálový útes s nárostem řas (autor: Nicole Černohorská) ¢Preferenční ¢ 26 OBSERVAČNÍ STUDIE ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH ¢Systematické rozmístění v síti (lattice) ¢ 27 OBSERVAČNÍ STUDIE ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH ¢Systematické rozmístění v síti (grid) 28 OBSERVAČNÍ STUDIE ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH ¢Systematické rozmístění na transektu ¢ 29 OBSERVAČNÍ STUDIE ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH ¢Náhodné rozmístění ¢ 30 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 — — 31 OBSERVAČNÍ STUDIE ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH ¢Stratifikované náhodné rozmístění ¢ 32 OBSERVAČNÍ STUDIE ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH 33 STRATIFIKACE KRAJINY V GIS Austin et al. 2000 Teplota Srážky Půdní typy Stratifikované jednotky ¢bližší plochy jsou si podobnější ¢Její vliv lze odhadnout (ale často ne odfiltrovat) pomocí vhodně zvolené analýzy 34 PROSTOROVÁ AUTOKORELACE