Occupancy in dynamic systems: accounting for multiple scales and false positives using environmental DNA to inform monitoring

Occupancy is an important metric to understand current and future trends in populations that have declined globally. In addition, occupancy can be an efficient tool for conducting landscape-scale and long-term monitoring. A challenge for occupancy monitoring programs is to determine the appropriate spatial scale of analysis and to obtain precise occupancy estimates for elusive species. We used a multi-scale occupancy model to assess occupancy of Columbia spotted frogs in the Great Basin, USA, based on environmental DNA (eDNA) detections. We collected three replicate eDNA samples at 220 sites across the Great Basin. We estimated and modeled ecological factors that described watershed and site occupancy at multiple spatial scales simultaneously while accounting for imperfect detection. Additionally, we conducted visual and dipnet surveys at all sites and used our paired detections to estimate the probability of a false positive detection for our eDNA sampling. We applied the estimated false positive rate to our multi-scale occupancy dataset and assessed changes in model selection. We had higher naïve occupancy estimates for eDNA (0.37) than for traditional survey methods (0.20). We estimated our false positive detection rate per qPCR replicate at 0.023 (95% CI: 0.016–0.033). When the false positive rate was applied to the multi-scale dataset, we did not observe substantial changes in model selection or parameter estimates. Conservation and resource managers have an increasing need to understand species occupancy in highly variable landscapes where the spatial distribution of habitat changes significantly over time due to climate change and human impact. A multi-scale occupancy approach can be used to obtain regional occupancy estimates that can account for spatially dynamic differences in availability over time, especially when assessing potential declines. Additionally, this study demonstrates how eDNA can be used as an effective tool for improved occupancy estimates across broad geographic scales for long-term monitoring.     

基于多尺度协同的长沙市生态网络构建与层级优化

城市化背景下人类与自然环境的矛盾呈现出多尺度、层级化特征，而传统生态网络的构建方式较少考虑不同尺度下生态要素的关系，无法从区域落实到中心城区，难以形成系统性的解决方案。研究在综合梳理各尺度生态网络构建方法的基础上，以长沙市为例，基于形态学空间格局分析（Morphological Spatial Pattern Analysis，MSPA）、景观连通性原理和生态斑块重要性评价识别生态源地，并通过多层级生态阻力面的确定，综合运用最小费用路径（Least-cost path method，LCP）、电路理论、层级传导理论、尺度嵌套等方法对市域、都市区、中心城区的生态网络进行了协同构建和层级优化，最后基于不同尺度生态网络的特点应用并落实到多层级的国土空间规划体系中。研究结果表明：（1）长沙市域生态网络和都市区生态网络具有较好的层级嵌套特征；共识别两尺度生态叠合源地14个、生态叠合廊道15条，主要通过中心城区内的湘江、浏阳河和捞刀河部分河段与外围生态绿圈相衔接，形成"外环内楔"的空间格局。（2）确定市域重要廊道、市域潜在廊道、生态叠合廊道、都市区重要廊道、都市区潜在廊道的核心保护面积共501.14 km²，并提取位于生态廊道核心保护区范围内的生态夹点和生态障碍点，以进一步落实生态保护修复策略。（3）得到具有重要生态连通功能的中心城区生态绿道长度441.2 km，生态修复单元56个，并结合生态阻力值划分为5级进行针对性修复。（4）基于不同尺度生态网络的衔接、嵌套，最终构建"市域总体生态安全格局-都市区城市生态空间发展格局-以城市绿道为基础的中心城区生态修复单元"，并与不同层级的国土空间规划体系相对应。研究结果将为以大城市为中心的跨尺度生态系统修复和生态安全格局构建提供科学参考。     

基于生态系统服务供需的景感尺度特征分析和应用

自然生态系统与人类感知的交互作用是景感生态学关注的焦点，与生态系统服务的供需紧密关联。生态系统、生态过程、生态系统服务以及人的需求均具有一定的时空尺度特征，因此，由这些过程产生的"景感"也具有时空尺度特征，并依赖于这个过程的尺度特征相互作用。梳理生态系统服务供需关系与景感营造规划的尺度特征，探索二者相互联系，进而提出基于景感生态学理论，通过景感营造实现生态系统服务供需平衡的多尺度实现路径。从空间维度，体现从"社区-城市-流域-区域"的多尺度景感规划框架，从应用维度，体现从生态系统服务需求探索-关键指标体系识别-多源谜码数据感知-景感营造与规划设计的具体流程。通过多尺度的联合景感营造，调整自然供给水平与人类不同尺度的生态系统服务需求以期达到平衡，从而实现人类生存环境福利与居民福祉提升的目标。在此基础上，结合雄安新区规划建设实例，从多尺度景感营造的角度为城市绿色生态建设与可持续发展提出优化建议。主要结论：（1）基于"社区-城市-流域-区域"的多尺度景感分析框架，将景感要素与生态系统服务供需思想融入城市规划，在不同尺度上趋善优化，对于实现可持续发展城市规划和管理具有重要指示意义；（2）雄安新区规划设计需更系统和细致地考虑人类感知需求，通过多尺度景感营造设计，共同实现雄安新区的可持续发展与人居环境提升。其中，在社区尺度，需重点关注社区植被配置和居民的休闲游憩；在新区尺度重点关注绿地系统网络构建；在大清河流域尺度重点关注河流健康与水文调节；在京津冀区域尺度需注重山体通风廊道与生态屏障的构建与优化。     

Stochastic multi-scale prediction on the apparent elastic moduli of trabecular bone considering uncertainties of biological apatite (BAp) crystallite orientation and image-based modelling

An assessment of the mechanical properties of trabecular bone is important in determining the fracture risk of human bones. Many uncertainty factors contribute to the dispersion of the estimated mechanical properties of trabecular bone. This study was undertaken in order to propose a computational scheme that will be able to predict the effective apparent elastic moduli of trabecular bone considering the uncertainties that are primarily caused by image-based modelling and trabecular stiffness orientation. The effect of image-based modelling which focused on the connectivity was also investigated. A stochastic multi-scale method using a first-order perturbation-based and asymptotic homogenisation theory was applied to formulate the stochastically apparent elastic properties of trabecular bone. The effective apparent elastic modulus was predicted with the introduction of a coefficient factor to represent the variation of bone characteristics due to inter-individual differences. The mean value of the predicted effective apparent Young's modulus in principal axis was found at approximately 460 MPa for respective 15.24% of bone volume fraction, and this is in good agreement with other experimental results. The proposed method may provide a reference for the reliable evaluation of the prediction of the apparent elastic properties of trabecular bone.     

Scale-dependence in geographic variation in a freshwater gastropod across the Palearctic

ABSTRACT

The reality of spatial clinal variation in morphological traits of freshwater pulmonate snails (Gastropoda: Pulmonata) has repeatedly been questioned or totally discounted. There is a lack of sound statistical evidence in the articles hitherto published on this subject supporting these claims. Here, by means of different analytical methods (analysis of spatial autocorrelation, linear regression analysis, canonical correlation analysis and others), we demonstrate that shell variation in the dwarf pond snail, Galba truncatula, is patterned in space throughout the northern and central Palearctic, with latitudinally-oriented clines in body size and in some shell proportions. Shell size in G. truncatula decreases with latitude and temperature, representing a special case of converse Bergmann cline. However, the temperature itself is hardly the main driver of shell size variation. It is argued that the shorter growing seasons at high latitudes may represent a better explanation for the observed trend. Shell proportions in the dwarf pond snails vary weakly at the macrogeographic scale, being spatially patterned at lower (mesogeographic) scales around 1200–1500?km. In general, spatial variation in G. truncatula shell size is decoupled from variation in shell shape, demonstrating clear scale-dependence similar to that found in different species of terrestrial (non-aquatic) pulmonate snails.     

基于多尺度秦巴山区生态系统服务权衡协同关系的表达

秦巴山区是中国南北过渡带,具有明显的多维地带性结构和复杂的地貌特征,从大、中、小不同的空间尺度上研究生态系统服务权衡协同关系,为区域间的山水林田湖草生态保护提供基础性参考。从全域、综合分区、典型样区、样点间隔4个尺度分析秦巴山区2005—2015年植被净初级生产力(NPP)、粮食生产、土壤保持、生境质量、水资源供给5种生态系统服务之间权衡协同关系。结果表明:①从全域尺度:水资源供给分别与生境质量、土壤保持、NPP、粮食生产呈现协同关系;NPP分别与生境质量、土壤保持同呈现协同关系;生境质量与土壤保持是协同的关系;粮食生产分别与生境质量、土壤保持呈现权衡的关系。②从综合分区尺度:依据地貌和气候类型划分的综合分区,会出现特定的区域内生态系统服务关系的异同,加上影响生态系统服务的机制不同,促使生态系统服务间的关系在综合分区的体现也有所差别。③典型样区尺度:山地的南北坡在气候类型、植被类型、地貌特征等方面存在明显的差异性,随着时间的推移生态系统服务之间会发生相互转变。④样点间隔尺度:成对服务间的权衡/协同关系与样点间隔尺度存在一定的关联性,不同的间隔尺度权衡/协同关系的发展趋势存在差异性。该研究可以协助决策者在适当的空间尺度制定相应生态管理策略,促进生态-经济协同发展。     

云南纵向岭谷区道路网络对生态系统影响的尺度效应

云南纵向岭谷区具有复杂的生态系统,其生物多样性在全球中具有重要地位,但是由于人类活动的影响,尤其是道路网络的发展及其导致的土地利用变化,使得该地区生态系统退化日益严重.选取2km×2km、4km×4km、6km×6km、… \,20km×20km网格进行多尺度相关分析和方差分析,研究云南纵向岭谷区道路网络与生态系统分布的相关性及其独立和交互作用,分析道路网络对生态系统影响的尺度效应.然后又进一步研究了道路网络和地形因子(比如海拔、坡度和坡向等)对生态系统的独立和交互作用.研究结果表明,道路网络与生态系统分布的相关性与路网等级有关,其相关程度与路网等级呈反比,随着尺度的变化,道路网络与生态系统分布的相关性表现为增强型、减弱型、质变型和无尺度效应这4种类型.在大多数尺度下,道路网络和地形因子对生态系统分布既有独立作用,也有交互作用.其中,高等级路网的独立作用比较显著,而低等级路网的独立作用不太显著.但是,随着尺度的增大,县乡路网、乡村路网和小路网对生态系统分布的独立和交互作用均显著,且表现出高度的相似性,表明地形对低等级道路具有明显的干扰或屏蔽效应.     

不同干扰背景下景观指数与物种多样性的多尺度效应——以巩义市为例

以黄河中下游山地丘陵区的巩义市为研究区,采用典型样地法对灌草丛、人工林和农田边缘3种不同干扰背景下的自然、半自然生境内的植物进行调查。基于景观生态学原理,在地理信息系统技术支持下,借助于Fragstatta3.3软件,以调查样地为中心,计算了150、250、500、750、1000、1250、1500m不同半径缓冲区内表征景观形状(Edge and patch shape)、边缘对照(Edge contrast)、相似度和邻近度(Proximity and similarity)、景观多样性(Diversity)、基质(Texture)、斑块大小和密度(Patch size and patch density)共6类52个指数,运用冗余分析(RDA)筛选出不同尺度下对该区农业景观中植物多样性有显著影响的景观指数。结果表明:不同尺度,景观指数对物种多样性的影响变化显著。灌草丛生境,在500—750m范围内,SHAPE_AM指数和PARA_AM指数能够很好的解释物种多样性,解释量为33.6%;人工林生境,SHAPE_AM指数、AREA_CV指数、SIMI指数和PAFRAC指数在1000—1250m范围内对物种多样性的解释量达到48.1%;农田边缘生境,GYRATE_CV指数、ENN_CV指数、PARA_MN指数和FRAC_AM指数在750—1250m范围内对物种多样性影响显著,解释量为32%。其中,辛普森多样性指数(SIDI)与灌草丛物种多样性在750—1250m范围内作用显著,ENN_CV指数仅对农田边缘物种多样性影响较大。景观指数对物种多样性的影响具有尺度依赖性,未来应全面综合探讨这些指数的尺度效应及在景观生态学中的应用。     

三江平原农田土壤跳虫多尺度空间自相关性

土壤动物多尺度空间自相关性特征是土壤动物空间异质性和空间共存格局研究的重要基础。以土壤跳虫为研究对象,以中国科学院三江平原沼泽湿地生态实验站为研究区,于2011年8月和10月,选取具30 a以上耕作历史的旱地为实验样地,以5 m为步长设置一个50 m×50 m的实验样地,采用地统计中的全局Moran's I指数和局部Moran's I指数相结合的方法,研究土壤跳虫多尺度空间自相关性特征。全局空间自相关结果表明,土壤跳虫群落总密度和多数跳虫种类存在显著的多尺度空间自相关特征,多数为显著的正的空间自相关性,形成明显的空间集群。局部空间自相关结果表明,土壤跳虫群落总密度和所有跳虫种类均存在显著的局部空间自相关性,在局部地区形成"高—高"和/或"低—低"的空间集群,并和"高—低"和/或"低—高"的空间孤立区相伴发生,即形成"斑块"和"孔隙"相间分布的水平镶嵌格局;这种镶嵌格局具一定的时间动态特征,从夏季到秋季斑块大小和空间分布范围略有变化。研究表明,土壤跳虫具有明显的多尺度空间自相关性;空间集群是土壤跳虫的常见空间分布格局,在样地内形成"斑块"和"孔隙"相间分布的水平镶嵌格局,这种格局具年内时间变异性。