Разрежение (экология)

В экологии разрежение — метод оценки видового богатства по результатам отбора проб . Разрежение позволяет рассчитать видовое богатство для заданного количества отдельных образцов на основе построения так называемых кривых разрежения. Эта кривая представляет собой график зависимости количества видов от количества образцов. Кривые разрежения обычно сначала быстро растут, поскольку обнаруживаются наиболее распространенные виды, но кривые выходят на плато, поскольку остается отобрать только самые редкие виды. ^[1]

Проблема, которая возникает при отборе проб различных видов в сообществе, заключается в том, что чем больше количество особей, отобранных для отбора проб, тем больше видов будет обнаружено. Кривые разрежения создаются путем случайной повторной выборки из N образцов несколько раз и последующего построения графика среднего количества видов, обнаруженных в каждом образце (1,2, ... N). «Таким образом, разрежение генерирует ожидаемое количество видов в небольшой коллекции из n особей (или n образцов), выбранных случайным образом из большого пула из N образцов». ^[2]

Набор кривых разрежения из биологического исследования НАСА ^[3]

История

Метод разрежения был разработан в 1968 году Говардом Сандерсом при анализе биоразнообразия морских донных экосистем, когда он искал модель разнообразия, которая позволила бы ему сравнивать данные о видовом богатстве среди наборов с разными размерами выборок; он разработал кривые разрежения как метод сравнения формы кривой, а не абсолютного количества видов. ^[4]

После первоначальной разработки Сандерса техника разрежения претерпела ряд изменений. В статье, критикующей многие методы анализа биоразнообразия, Стюарт Херлберт уточнил проблему, которую он увидел в методе разрежения Сандерса, заключающуюся в переоценке количества видов на основе размера выборки, и попытался усовершенствовать свои методы. ^[5] Вопрос завышения оценок также рассматривался Дэниелом Симберлоффом , а другие усовершенствования в области разрежения как статистического метода были сделаны Кеном Хеком в 1975 году. ^[6]

Сегодня разрежение превратилось в метод не только измерения видового разнообразия, но и понимания разнообразия на более высоких таксономических уровнях. Чаще всего выборку выбирают по количеству видов, чтобы предсказать количество родов в конкретном сообществе; аналогичные методы использовались для определения этого уровня разнообразия в исследованиях за несколько лет до того, как Сандерс количественно оценил свою особь по видовому определению разрежения. ^[2] Методы разрежения используются для количественной оценки видового разнообразия недавно изученных экосистем, включая микробиомы человека, а также в прикладных исследованиях в области экологии сообществ, таких как понимание воздействия загрязнения на сообщества и других управленческих приложений.

Вывод

Получение разрежения:
N = общее количество элементов
K = общее количество групп
N _i = количество элементов в группе i (i = 1, ..., K ).
M _j = количество групп, состоящих из j элементов

Таким образом, из этих определений следует, что:

\sum _{i=1}^{K}N_{i}=N

\sum _{j=1}^{\infty }M_{j}=K

\sum _{j=1}^{\infty }jM_{j}=N

В разреженной выборке мы выбрали случайную подвыборку n из общего числа N элементов. Актуальность разреженной выборки заключается в том, что некоторые группы теперь могут обязательно отсутствовать в этой подвыборке. Поэтому мы позволяем:

X_{n}=

количество групп, все еще присутствующих в подвыборке из «n» предметов

Это правда, что оно меньше K , если в этой подвыборке отсутствует хотя бы одна группа. Поэтому кривая разрежения определяется как: $X_{n}$

$f_ {n}$

f_{n}=E[X_{n}]=K-{\binom {N}{n}}^{-1}\sum _{i=1}^{K}{\binom {N -N_{i}}{n}}

Отсюда следует, что 0 ⩽ f(n) ⩽ K. Кроме того, . Несмотря на то, что эти кривые определяются при дискретных значениях n, чаще всего они отображаются как непрерывные функции. ^[7] ${\ displaystyle f (0) = 0, f (1) = 1, f (N) = K}$

Правильное использование

Кривые разрежения необходимы для оценки видового богатства. Первичные данные о видовом богатстве, которые используются для создания кривых накопления, можно сравнивать только тогда, когда видовое богатство достигло четкой асимптоты . Кривые разрежения создают более плавные линии, которые облегчают сравнение двух точек или полных наборов данных.

Можно построить график количества видов как функцию количества отобранных особей или количества взятых проб. Подход, основанный на выборке, учитывает неоднородность данных, возникающую в результате естественного уровня неоднородности выборки. Однако, когда кривые разрежения на основе выборок используются для сравнения богатства таксонов при сопоставимых уровнях отбора проб, количество таксонов следует отображать как функцию накопленного числа особей, а не накопленного количества образцов, поскольку наборы данных могут систематически различаться по среднее количество особей в выборке.

Невозможно просто разделить количество обнаруженных видов на количество особей, отобранных в выборку, чтобы внести поправку на разные размеры выборки. При этом можно было бы предположить, что количество видов увеличивается линейно с количеством присутствующих особей, что не всегда верно.

Анализ разрежения предполагает, что особи в окружающей среде распределены случайным образом, размер выборки достаточно велик, что выборки таксономически схожи и что все выборки были выполнены одинаковым образом. Если эти предположения не выполняются, полученные кривые будут сильно искажены. ^[8]

Предостережения и критика

Разрежение работает хорошо только тогда, когда ни один таксон не является чрезвычайно редким или распространенным ^{[ нужна ссылка ]} или когда бета-разнообразие очень велико. Разреженность предполагает, что количество встречаний вида отражает интенсивность отбора проб, но если один таксон является особенно распространенным или редким, количество встречаний будет связано с предельной численностью особей этого вида, а не с интенсивностью отбора проб. .

Методика не учитывает конкретные таксоны. Он исследует количество видов, присутствующих в данной выборке, но не рассматривает, какие виды представлены в разных выборках. Таким образом, две выборки, каждая из которых содержит по 20 видов, могут иметь совершенно разный состав, что приводит к искаженной оценке видового богатства.

Этот метод не распознает видовое разнообразие , а только видовое богатство. Истинная мера разнообразия учитывает как количество присутствующих видов, так и относительную численность каждого из них.

Разреженность нереалистична в своем предположении о случайном пространственном распределении особей.

Разрежение не дает оценки асимптотического богатства, поэтому его нельзя использовать для экстраполяции тенденций видового богатства в более крупных выборках. ^[9]

Внешние ссылки