Bases metodológicas para un sistema de apoyo a la selección de especies en la restauración de la vegetación

RESUMEN El apoyo a la selección de especies a la restauración de la vegetación en España en los últimos 40 años se ha basado fundamentalmente en modelos de distribución de especies, también llamados modelos de nicho ecológico, que estiman la probabilidad de presencia de las especies en función de las condiciones del medio físico (clima, suelo, etc.). Con esta tesis se ha intentado contribuir a la mejora de la capacidad predictiva de los modelos introduciendo algunas propuestas metodológicas adaptadas a los datos disponibles actualmente en España y enfocadas al uso de los modelos en la selección de especies. No siempre se dispone de datos a una resolución espacial adecuada para la escala de los proyectos de restauración de la vegetación. Sin embrago es habitual contar con datos de baja resolución espacial para casi todas las especies vegetales presentes en España. Se propone un método de recalibración que actualiza un modelo de regresión logística de baja resolución espacial con una nueva muestra de alta resolución espacial. El método permite obtener predicciones de calidad aceptable con muestras relativamente pequeñas (25 presencias de la especie) frente a las muestras mucho mayores (más de 100 presencias) que requería una estrategia de modelización convencional que no usara el modelo previo. La selección del método estadístico puede influir decisivamente en la capacidad predictiva de los modelos y por esa razón la comparación de métodos ha recibido mucha atención en la última década. Los estudios previos consideraban a la regresión logística como un método inferior a técnicas más modernas como las de máxima entropía. Los resultados de la tesis demuestran que esa diferencia observada se debe a que los modelos de máxima entropía incluyen técnicas de regularización y la versión de la regresión logística usada en las comparaciones no. Una vez incorporada la regularización a la regresión logística usando penalización, las diferencias en cuanto a capacidad predictiva desaparecen. La regresión logística penalizada es, por tanto, una alternativa más para el ajuste de modelos de distribución de especies y está a la altura de los métodos modernos con mejor capacidad predictiva como los de máxima entropía. A menudo, los modelos de distribución de especies no incluyen variables relativas al suelo debido a que no es habitual que se disponga de mediciones directas de sus propiedades físicas o químicas. La incorporación de datos de baja resolución espacial proveniente de mapas de suelo nacionales o continentales podría ser una alternativa. Los resultados de esta tesis sugieren que los modelos de distribución de especies de alta resolución espacial mejoran de forma ligera pero estadísticamente significativa su capacidad predictiva cuando se incorporan variables relativas al suelo procedente de mapas de baja resolución espacial. La validación es una de las etapas fundamentales del desarrollo de cualquier modelo empírico como los modelos de distribución de especies. Lo habitual es validar los modelos evaluando su capacidad predictiva especie a especie, es decir, comparando en un conjunto de localidades la presencia o ausencia observada de la especie con las predicciones del modelo. Este tipo de evaluación no responde a una cuestión clave en la restauración de la vegetación ¿cuales son las n especies más idóneas para el lugar a restaurar? Se ha propuesto un método de evaluación de modelos adaptado a esta cuestión que consiste en estimar la capacidad de un conjunto de modelos para discriminar entre las especies presentes y ausentes de un lugar concreto. El método se ha aplicado con éxito a la validación de 188 modelos de distribución de especies leñosas orientados a la selección de especies para la restauración de la vegetación en España. Las mejoras metodológicas propuestas permiten mejorar la capacidad predictiva de los modelos de distribución de especies aplicados a la selección de especies en la restauración de la vegetación y también permiten ampliar el número de especies para las que se puede contar con un modelo que apoye la toma de decisiones. SUMMARY During the last 40 years, decision support tools for plant species selection in ecological restoration in Spain have been based on species distribution models (also called ecological niche models), that estimate the probability of occurrence of the species as a function of environmental predictors (e.g., climate, soil). In this Thesis some methodological improvements are proposed to contribute to a better predictive performance of such models, given the current data available in Spain and focusing in the application of the models to selection of species for ecological restoration. Fine grained species distribution data are required to train models to be used at the scale of the ecological restoration projects, but this kind of data are not always available for every species. On the other hand, coarse grained data are available for almost every species in Spain. A recalibration method is proposed that updates a coarse grained logistic regression model using a new fine grained updating sample. The method allows obtaining acceptable predictive performance with reasonably small updating sample (25 occurrences of the species), in contrast with the much larger samples (more than 100 occurrences) required for a conventional modeling approach that discards the coarse grained data. The choice of the statistical method may have a dramatic effect on model performance, therefore comparisons of methods have received much interest in the last decade. Previous studies have shown a poorer performance of the logistic regression compared to novel methods like maximum entropy models. The results of this Thesis show that the observed difference is caused by the fact that maximum entropy models include regularization techniques and the versions of logistic regression compared do not. Once regularization has been added to the logistic regression using a penalization procedure, the differences in model performance disappear. Therefore, penalized logistic regression may be considered one of the best performing methods to model species distributions. Usually, species distribution models do not consider soil related predictors because direct measurements of the chemical or physical properties are often lacking. The inclusion of coarse grained soil data from national or continental soil maps could be a reasonable alternative. The results of this Thesis suggest that the performance of the models slightly increase after including soil predictors form coarse grained soil maps. Model validation is a key stage of the development of empirical models, such as species distribution models. The usual way of validating is based on the evaluation of model performance for each species separately, i.e., comparing observed species presences or absence to predicted probabilities in a set of sites. This kind of evaluation is not informative for a common question in ecological restoration projects: which n species are the most suitable for the environment of the site to be restored? A method has been proposed to address this question that estimates the ability of a set of models to discriminate among present and absent species in a evaluation site. The method has been successfully applied to the validation of 188 species distribution models used to support decisions on species selection for ecological restoration in Spain. The proposed methodological approaches improve the predictive performance of the predictive models applied to species selection in ecological restoration and increase the number of species for which a model that supports decisions can be fitted.

Nematodes as indicators of the effect of soil fumigants on soil functioning

Debido al futuro incierto de la mayor parte de los fumigantes edáficos usados actualmente en la Unión Europea, que pueden implicar riesgos para la salud humana/animal y el medio ambiente, es necesario desarrollar programas de manejo integrado para el control de plagas de cultivos. Estos programas se incluyen como obligatorios en el Reglamento (EC) No. 1107/2009. De acuerdo con este Reglamento, es obligatoria la evaluación del riesgo asociado al uso de productos fitosanitarios sobre los organismos edáficos no diana y sus funciones, además de llevar a cabo ensayos con diferentes especies indicadoras para obtener datos de toxicidad que puedan ser usados posteriormente en la evaluación de riesgo. Sin embargo, la baja representatividad de algunas de estas especies indicadoras en el área Mediterránea supone una gran limitación. En esta situación, el Panel Científico de Productos Fitosanitarios y sus Residuos de la Autoridad Europea en Seguridad Alimentaria (EFSA), ha señalado la necesidad de modificar los datos ecotoxicológicos requeridos para evaluar los efectos adversos de los productos fitosanitarios de una manera más integrada, incluyendo criterios funcionales y estructurales mediante organismos como bacterias, hongos, protozoos y nematodos. De este modo, la EFSA ha recomendado el uso de los nematodos en la evaluación de la funcionalidad y estructura del suelo. Los nematodos están globalmente distribuidos y son morfológicamente diversos; esto junto con su gran abundancia y diversidad de respuestas a las perturbaciones edáficas, los convierte en indicadores adecuados del estado del suelo. Puesto que los nematodos interaccionan con muchos otros organismos que participan en diferentes eslabones de la red trófica edáfica, jugando papeles importantes en procesos edáficos esenciales en los agroescosistemas, la diversidad de nematodos es, a menudo, usada como indicador biológico de los efectos de las prácticas agrícolas en el estado del suelo. En los últimos años, diferentes índices basados en la comunidad nematológica han facilitado la interpretación de datos complejos sobre la ecología del suelo. Los índices de la red trófica edáfica, basados en la abundancia de grupos funcionales definidos como grupos C-P y grupos tróficos, permiten la evaluación de la funcionalidad de la red trófica edáfica. Por otra parte, la dificultad en la identificación taxonómica de nematodos para explicar su uso limitado como indicadores ecológicos, es ampliamente discutida, y existe cierta controversia en cuanto a la eficacia de los diferentes métodos de identificación de nematodos. Se argumenta que la identificación morfológica es difícil y puede llevar mucho tiempo debido a la falta de expertos especializados, y se afirma que las técnicas moleculares pueden resolver algunas limitaciones de las técnicas morfológicas como la identificación de juveniles. Sin embargo, los métodos de identificación molecular tienen también limitaciones; la mayoría de las bases de datos de secuencias de ADN están fuertemente orientadas hacia los nematodos fitoparásitos, los cuales representan sólo una parte de la comunidad edáfica de nematodos, mientras que hay poca información disponible de nematodos de vida libre a pesar de representar la mayoría de los nematodos edáficos. Este trabajo se centra en el estudio de los efectos de fumigantes edáficos en la funcionalidad del suelo a través del uso de diferentes indicadores basados en la comunidad de nematodos, como los índices de la red trófica, índices de diversidad, abundancia de los taxones más relevantes etc. También se han analizado otros indicadores funcionales relacionados con la supresividad edáfica, el ciclo de nutrientes o la actividad de la microfauna del suelo. En el capítulo 1, la diversidad de nematodos estudiada en una explotación comercial de fresa y sus alrededores durante dos campañas consecutivas en el suroeste español, fue baja en los suelos fumigados con fumigantes químicos ambas campañas y, aunque se observó una recuperación a lo largo de la campaña en la zona tratada, los suelos fumigados mostraron una condición perturbada permanente. La comunidad de nematodos estuvo más asociada al ciclo de nutrientes en la zona sin cultivar que en los suelos cultivados, y se observó poca relación entre la biomasa de las plantas y la estructura de la comunidad de nematodos. Los surcos sin tratar dentro de la zona de cultivo funcionaron como reservorio tanto de nematodos fitoparásitos como beneficiosos; sin embargo estas diferencias entre los surcos y los lomos de cultivo no fueron suficientes para mantener la supresividad edáfica en los surcos. Los suelos tratados fueron menos supresivos que los suelos sin tratar, y se observaron correlaciones positivas entre la supresividad edáfica y la estructura de la red trófica edáfica y la diversidad de nematodos. En el capítulo 2, se evaluaron los efectos de dos pesticidas orgánicos con efecto nematicida y dos nematicidas convencionales sobre las propiedades físico químicas del suelo, la diversidad de nematodos y la biomasa de las plantas en condiciones experimentales en dos tipos de suelo: suelos agrícolas poco diversos y suelos provenientes de una zona de vegetación natural muy diversos. El mayor efecto se observó en el tratamiento con neem, el cual indujo un gran incremento en el número de dauerlarvas en los suelos pobres en nutrientes, mientras que el mismo tratamiento indujo un incremento de poblaciones de nematodos bacterívoros, más estables y menos oportunistas, en los suelos del pinar ricos en materia orgánica. En el capítulo 3, se comparó la eficacia de métodos moleculares (TRFLP, Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) y morfológicos (microscopía de alta resolución) para la identificación de diferentes comunidades denematodos de España e Irlanda. Se compararon estadísticamente las diferencias y similitudes en la diversidad de nematodos, otros indicadores ecológicos y de la red trófica edáfica. Las identificaciones mediante el uso de TRFLP sólo detectó un porcentaje de los taxones presentes en las muestras de suelo identificadas morfológicamente, y los nematodos omnívoros y predadores no fueron detectados molecularmente en nuestro estudio. Los índices calculados en base a los nematodos micróboros mostraron más similitud cuando se identificaron morfológica y molecularmente que los índices basados en grupos tróficos más altos. Nuestros resultados muestran que, al menos con la técnica usada en este estudio, la identificación morfológica de nematodos es una herramienta fiable y más precisa que la identificación molecular, puesto que en general se obtiene una mayor resolución en la identificación de nematodos. En el capítulo 4, se estudiaron también los efectos de los nematicidas químicos sobre la comunidad de nematodos y la biomasa de las plantas en condiciones experimentales de campo, donde se aplicaron en una rotación de cultivo judía-col durante un ciclo de cultivo. Se aplicaron dos tipos de enmiendas orgánicas con el objetivo de mitigar el efecto negativo de los productos fitosanitarios sobre la diversidad edáfica. El efecto de los nematicidas sobre las propiedades del suelo y sobre la comunidad de nematodos fue más agudo que el efecto de las enmiendas. La incorporación de los restos de cosecha al final del ciclo de cultivo de la judía tuvo un gran efecto sobre la comunidad de nematodos, y aunque el número total de nematodos incrementó al final del experimento, se observó una condición perturbada permanente de la red trófica edáfica a lo largo del experimento. ABSTRACT Due to the uncertain future of the soil fumigants most commonly used in the EU, that might involve risks for human/animal health and the environment, there is a need to develop new integrated pest management programs, included as mandatory in the Regulation (EC) No. 1107/2009, to control crop diseases. According to this Regulation, evaluating the risk associated to the use of the plant production products (PPP) on non-target soil fauna and their function, and developing assays with different indicator species to obtain toxicity data to be used in the risk evaluation is mandatory. However, the low representativeness of some of these indicator species in the Mediterranean area is a relevant limitation. In this situation, the Scientific Panel of Plant Protection Products and their Residues of the European Food Safety Authority (EFSA) has pointed out the necessity of modifying the ecotoxicological data set required to evaluate non-target effects of PPP in a more integrated way, including structural and functional endpoints with organism such as bacteria, fungi, protists and nematodes. Thus, EFSA has recommended the use of nematodes in the assessment of the functional and structural features of the soil. Nematodes are globally distributed and morphologically diverse, and due to their high abundance and diversity of responses to soil disturbance, they are suitable indicators of the soil condition. Since nematodes interact with many other organisms as participants in several links of the soil food web, playing important roles in essential soil processes in agroecosystems, nematode diversity is often used as a biological indicator of the effects of agricultural practices on soil condition. In the last years, various indices based on soil nematode assemblages, have facilitated the interpretation of complex soil ecological data. Soil food web indices based on the abundances of functional guilds defined by C-P groups and trophic groups, permit evaluating soil food web functioning. On the other hand, the difficulty of nematode taxonomical identification is commonly argued to explain their limited used as ecological indicators, and there is a certain controversy in terms of the efficacy of various nematode identification methods. It is argued that the morphological identification is difficult and time consuming due to the lack of specialist knowledge, and it is claimed that molecular techniques can solve some limitations of morphological techniques such as the identification of juveniles. Nevertheless, molecular identification methods are limited too, since most of the DNA-based databases are strongly oriented towards plant-parasitic nematodes that represent only a fraction of the soil nematode community, while there is little information available on free-living nematodes, which represent most soil nematodes. This work focuses on the study of the effects of soil fumigants on soil functioning through the use of different indicators based on soil nematode community as soil food web indices, diversity indices, the abundance of more relevant taxa etc. Other functional indicators related to soil suppressiveness, nutrient cycling, or the activity of soil microfauna have been also studied. In chapter 1, nematode diversity assessed in a commercial strawberry farm and its surroundings for two consecutive growing seasons in southern Spain, was low in fumigated soils with chemical pesticides throughout both seasons and, although yearly recovery occurred within the treated fields, fumigated soils showed a permanent perturbed condition. The nematode community was more closely associated to nutrient cycling in the non-cropped than in the cropped soils, and the link between plant biomass and nematode community structure was weak. Non-treated furrows within the treated fields were a reservoir of both beneficial and plant-parasitic nematodes, but such difference between furrows and beds was not enough to maintain more suppressive soil assemblages in the furrows. Treated soils were less suppressive than unmanaged soils, and there was a positive and significant correlation between soil suppressiveness and soil food web structure and diversity. In chapter 2, the effects of two organic pesticides with nematicide effect and two chemical nematicides on soil physicalchemical properties, soil nematode diversity and plant biomass in experimental conditions were assessed in two types of soils: low diversity soils from an agricultural farm, and high diversity soils from a natural vegetation area. The larger effect was observed on the neem treatment, which induced a large boost of dauer juveniles in the nutrient-depleted soil, while the same treatment induced the increase of more stable, less opportunistic, populations of generalist bacterivore nematodes in the pine forest soil, rich in organic matter. In chapter 3, comparison of the efficiency of molecular (TRFLP, Terminal Restriction Fragment Length Polymorphism) and morphological (microscopy at high magnification) identification methods was carried out in different nematode communities from five sites of different land uses in Spain and Ireland. Differences and similarities on nematode diversity and other ecological and soil food web indices assessed by both methods, were statistically compared. Molecular identification with TRFLP only detected a percentage of the taxa present in the soil samples identified morphologically, and omnivores and predators were not detected molecularly in our study. Indices involving microbial feeding nematodes were more similar between identification methods than indices involving higher trophic links. Our results show that, at least with the technique used in this study, identifying nematodes morphologically is a reliable and more precise identification tool than molecular identification, since a higher taxonomic resolution is in general obtained compared to TRFLP. In chapter 4, the effect of chemical nematicides on nematode community descriptors and plant biomass was also studied in field conditions in an experimental area in which dazomet and dimethyl disulfide was applied in a bean-cabbage rotation system for a single season. Organic amendments were incorporated into the soil with the aim of mitigate the negative effect of the pesticides on soil diversity. The effect of the nematicides was much more noticeable than the effect of the amendments on soil properties and nematode community descriptors. The incorporation of bean crop residues into the soil at the end of bean crop cycle affected soil nematode community descriptors to a great extent, and although total number of nematodes increased at the end of the experiment, a permanent perturbed soil food web condition was observed along the experiment.