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
—Bez dalších externích znalostí nemůžeme určit směr vztahu mezi příčinou a důsledkem – korelace,
koincidence
¢Nelze předpovědět, co se stane s Y, když se změní X
¢Můžeme si ale pomoct externími znalostmi o vztahu mezi X a Y
¢
¢
¢
2
POZOROVÁNÍ VS. MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY

¢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)
¢
3
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)
4
POZOROVÁNÍ VS. MANIPULATIVNÍ EXPERIMENTY
SROVNÁNÍ TESTOVANÝCH HYPOTÉZ

¢„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
5
„SNAPSHOT“ VS „TRAJECTORY“ SAMPLING

¢„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

¢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
7
STRUKTURA DAT

8
TRAJECTORY EXPERIMENT – POTLAČENÍ TŘTINY KŘOVIŠTNÍ POMOCÍ POLOPARAZITŮ (TĚŠITEL ET AL. 2017)


9



¢
10


¢kompletně znáhodněný design
—nebere v úvahu heterogenitu prostředí
—Jednoduchý na analýzu, ale ne vždy je nejvhodnější/nejsilnější
—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)
—bloky mohou být umístěné podle gradientu prostředí
—v každém bloku je právě jedna replikace každého zásahu
¢
11
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
¢
12
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
¢
13
MANIPULATIVNÍ EXPERIMENT
NEJČASTĚJŠÍ CHYBY
gradient prostředí
gradient prostředí

¢design se znáhodněnými bloky – špatná orientace bloků
¢
14
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
15
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)
—
¢
16
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)
17
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

18
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
19
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
20
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.

21
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.

22
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.

23
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.

¢
24
cg chechking after removal 169.jpg
detailní pohled na korálový útes s nárostem řas
(autor: Nicole Černohorská)

¢Preferenční
¢
25
OBSERVAČNÍ STUDIE
ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH

¢Systematické rozmístění v síti (lattice)
¢
26
OBSERVAČNÍ STUDIE
ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH

¢Systematické rozmístění v síti (grid)
27
OBSERVAČNÍ STUDIE
ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH

¢Systematické rozmístění na transektu
¢
28
OBSERVAČNÍ STUDIE
ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH

¢Náhodné rozmístění
¢
29
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
—
—
30
OBSERVAČNÍ STUDIE
ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH

¢Stratifikované náhodné rozmístění
¢
31
OBSERVAČNÍ STUDIE
ROZMÍSTĚNÍ VZORKOVACÍCH PLOCH

32
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
33
PROSTOROVÁ AUTOKORELACE