Assembly processes of invertebrate communities in springs across different spatial scales

Il presente lavoro ha lo scopo di comprendere i processi sottesi ai pattern di coesistenza tra le specie di invertebrati sorgentizi, distinguendo tra dinamiche stocastiche e deterministiche. Le sorgenti sono ecosistemi complessi e alcune loro caratteristiche (ad esempio l’insularità, la stabilità termica, la struttura ecotonale “a mosaico”, la frequente presenza di specie rare ed endemiche, o l’elevata diversità in taxa) le rendono laboratori naturali utili allo studio dei processi ecologici, tra cui i processi di assembly. Al fine di studiare queste dinamiche è necessario un approccio multi-scala, per questo motivi sono state prese in considerazione tre scale spaziali. A scala locale è stato compiuto un campionamento stagionale su sette sorgenti (quattro temporanee e tre permanenti) del Monte Prinzera, un affioramento ofiolitico vicino alla città di Parma. In questa area sono stati valutati l’efficacia e l’impatto ambientale di diversi metodi di campionamento e sono stati analizzati i drivers ecologici che influenzano le comunità. A scala più ampia sono state campionate per due volte 15 sorgenti della regione Emilia Romagna, al fine di identificare il ruolo della dispersione e la possibile presenza di un effetto di niche-filtering. A scala continentale sono state raccolte informazioni di letteratura riguardanti sorgenti dell’area Paleartica occidentale, e sono stati studiati i pattern biogeografici e l’influenza dei fattori climatici sulle comunità. Sono stati presi in considerazione differenti taxa di invertebrati (macroinvertebrati, ostracodi, acari acquatici e copepodi), scegliendo tra quelli che si prestavano meglio allo studio dei diversi processi in base alle loro caratteristiche biologiche e all’approfondimento tassonomico raggiungibile. I campionamenti biologici in sorgente sono caratterizzati da diversi problemi metodologici e possono causare impatti sugli ambienti. In questo lavoro sono stati paragonati due diversi metodi: l’utilizzo del retino con un approccio multi-habitat proporzionale e l’uso combinato di trappole e lavaggio di campioni di vegetazione. Il retino fornisce dati più accurati e completi, ma anche significativi disturbi sulle componenti biotiche e abiotiche delle sorgenti. Questo metodo è quindi raccomandato solo se il campionamento ha come scopo un’approfondita analisi della biodiversità. D’altra parte l’uso delle trappole e il lavaggio della vegetazione sono metodi affidabili che presentano minori impatti sull’ecosistema, quindi sono adatti a studi ecologici finalizzati all’analisi della struttura delle comunità. Questo lavoro ha confermato che i processi niche-based sono determinanti nello strutturare le comunità di ambienti sorgentizi, e che i driver ambientali spiegano una rilevante percentuale della variabilità delle comunità. Infatti le comunità di invertebrati del Monte Prinzera sono influenzate da fattori legati al chimismo delle acque, alla composizione e all’eterogeneità dell’habitat, all’idroperiodo e alle fluttuazioni della portata. Le sorgenti permanenti mostrano variazioni stagionali per quanto riguarda le concentrazioni dei principali ioni, mentre la conduttività, il pH e la temperatura dell’acqua sono più stabili. È probabile che sia la stabilità termica di questi ambienti a spiegare l’assenza di variazioni stagionali nella struttura delle comunità di macroinvertebrati. L’azione di niche-filtering delle sorgenti è stata analizzata tramite lo studio della diversità funzionale delle comunità di ostracodi dell’Emilia-Romagna. Le sorgenti ospitano più del 50% del pool di specie regionale, e numerose specie sono state rinvenute esclusivamente in questi habitat. Questo è il primo studio che analizza la diversità funzionale degli ostracodi, è stato quindi necessario stilare una lista di tratti funzionali. Analizzando il pool di specie regionale, la diversità funzionale nelle sorgenti non è significativamente diversa da quella misurata in comunità assemblate in maniera casuale. Le sorgenti non limitano quindi la diversità funzionale tra specie coesistenti, ma si può concludere che, data la soddisfazione delle esigenze ecologiche delle diverse specie, i processi di assembly in sorgente potrebbero essere influenzati da fattori stocastici come la dispersione, la speciazione e le estinzioni locali. In aggiunta, tutte le comunità studiate presentano pattern spaziali riconoscibili, rivelando una limitazione della dispersione tra le sorgenti, almeno per alcuni taxa. Il caratteristico isolamento delle sorgenti potrebbe essere la causa di questa limitazione, influenzando maggiormente i taxa a dispersione passiva rispetto a quelli a dispersione attiva. In ogni caso nelle comunità emiliano-romagnole i fattori spaziali spiegano solo una ridotta percentuale della variabilità biologica totale, mentre tutte le comunità risultano influenzate maggiormente dalle variabili ambientali. Il controllo ambientale è quindi prevalente rispetto a quello attuato dai fattori spaziali. Questo risultato dimostra che, nonostante le dinamiche stocastiche siano importanti in tutte le comunità studiate, a questa scala spaziale i fattori deterministici ricoprono un ruolo prevalente. I processi stocastici diventano più influenti invece nei climi aridi, dove il disturbo collegato ai frequenti eventi di disseccamento delle sorgenti provoca una dinamica source-sink tra le diverse comunità. Si è infatti notato che la variabilità spiegata dai fattori ambientali diminuisce all’aumentare dell’aridità del clima. Disturbi frequenti potrebbero provocare estinzioni locali seguite da ricolonizzazioni di specie provenienti dai siti vicini, riducendo la corrispondenza tra gli organismi e le loro richieste ambientali e quindi diminuendo la quantità di variabilità spiegata dai fattori ambientali. Si può quindi concludere che processi deterministici e stocastici non si escludono mutualmente, ma contribuiscono contemporaneamente a strutturare le comunità di invertebrati sorgentizi. Infine, a scala continentale, le comunità di ostracodi sorgentizi mostrano chiari pattern biogeografici e sono organizzate lungo gradienti ambientali principalmente collegati altitudine, latitudine, temperatura dell’acqua e conducibilità. Anche la tipologia di sorgente (elocrena, reocrena o limnocrena) è influente sulla composizione delle comunità. La presenza di specie rare ed endemiche inoltre caratterizza specifiche regioni geografiche.

A critical analysis of the ubiquity of linear local-regional richness relationships

Synthesis Despite theoretical criticisms, the ubiquity of linear relationships between local and regional species richness has long been used to justify it as a valid framework to conclude that local communities are not saturated with species. However, we reanalyzed published studies with a new unbiased method and found no prevalence of linear relationships and more than 40% of misclassifications, including textbook examples. We thus conclude that the prevailing argument in favor of associating a valid ecological interpretation to local-regional species richness plots, its ubiquity, is not sustained, and that ecologists could use for instance metacommunity theory to make inference on the strength of local and regional processes. Identifying the relative importance of regional and local processes to local species diversity is a central issue to many questions in basic and applied ecology. One widely-used method is to plot local species richness against its regional richness to infer whether regional or local processes determine local diversity. However, this method increases the tendency to find regional prevalence as suggested by a recent simulation. We reanalyzed studies in the literature with an unbiased method and found no prevalence of either regional or local processes. In addition, almost 40% of the studies and 50% of the ecology textbook examples using the traditional method were misclassified. Our findings reinforce the need of alternative, novel tools identified by for instance metacommunity theory to go beyond the studies of local-regional relationships in the ecological literature that focus on the interdependence of regional and local processes.© 2013 The Authors. Oikos © 2013 Nordic Society Oikos.

Metacommunity structuring in stream networks: roles of dispersal mode, distance type, and regional environmental context

Within a metacommunity, both environmental and spatial processes regulate variation in local community structure. The strength of these processes may vary depending on species traits (e.g., dispersal mode) or the characteristics of the regions studied (e.g., spatial extent, environmental heterogeneity). We studied the metacommunity structuring of three groups of stream macroinvertebrates differing in their overland dispersal mode (passive dispersers with aquatic adults; passive dispersers with terrestrial adults; active dispersers with terrestrial adults). We predicted that environmental structuring should be more important for active dispersers, because of their better ability to track environmental variability, and that spatial structuring should be more important for species with aquatic adults, because of stronger dispersal limitation. We sampled a total of 70 stream riffle sites in three drainage basins. Environmental heterogeneity was unrelated to spatial extent among our study regions, allowing us to examine the effects of these two factors on metacommunity structuring. We used partial redundancy analysis and Moran's eigenvector maps based on overland and watercourse distances to study the relative importance of environmental control and spatial structuring. We found that, compared with environmental control, spatial structuring was generally negligible, and it did not vary according to our predictions. In general, active dispersers with terrestrial adults showed stronger environmental control than the two passively dispersing groups, suggesting that the species dispersing actively are better able to track environmental variability. There were no clear differences in the results based on watercourse and overland distances. The variability in metacommunity structuring among basins was not related to the differences in the environmental heterogeneity and spatial extent. Our study emphasized that (1) environmental control is prevailing in stream metacommunities, (2) dispersal mode may have an important effect on metacommunity structuring, and (3) some factors other than spatial extent or environmental heterogeneity contributed to the differences among the basins.

The influence of niche and neutral processes on a neotropical anuran metacommunity

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Broad-scale spatial patterns of canopy cover and pond morphology affect the structure of a Neotropical amphibian metacommunity

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A comparative analysis reveals weak relationships between ecological factors and beta diversity of stream insect metacommunities at two spatial levels

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Metacommunity Structure Along Resource and Disturbance Gradients in Everglades Wetlands

We evaluated metacommunity hypotheses of landscape arrangement (indicative of dispersal limitation) and environmental gradients (hydroperiod and nutrients) in structuring macroinvertebrate and fish communities in the southern Everglades. We used samples collected at sites from the eastern boundary of the southern Everglades and from Shark River Slough, to evaluate the role of these factors in metacommunity structure. We used eigenfunction spatial analysis to model community structure among sites and distance-based redundancy analysis to partition the variability in communities between spatial and environmental filters. For most animal communities, hydrological parameters had a greater influence on structure than nutrient enrichment, however both had large effects. The influence of spatial effects indicative of dispersal limitation was weak and only periphyton infauna appeared to be limited by regional dispersal. At the landscape scale, communities were well-mixed, but strongly influenced by hydrology. Local-scale species dominance was influenced by water-permanence and nutrient enrichment. Nutrient enrichment is limited to water inflow points associated with canals, which may explain its impact in this data set. Hydroperiod and nutrient enrichment are controlled by water managers; our analysis indicates that the decisions they make have strong effects on the communities at the base of the Everglades food web.

Raman microscopy of formamide-intercalated kaolinites treated by controlled-rate thermal analysis technology

Raman spectroscopy of formamide-intercalated kaolinites treated using controlled-rate thermal analysis technology (CRTA), allowing the separation of adsorbed formamide from intercalated formamide in formamide-intercalated kaolinites, is reported. The Raman spectra of the CRTA-treated formamide-intercalated kaolinites are significantly different from those of the intercalated kaolinites, which display a combination of both intercalated and adsorbed formamide. An intense band is observed at 3629 cm-1, attributed to the inner surface hydroxyls hydrogen bonded to the formamide. Broad bands are observed at 3600 and 3639 cm-1, assigned to the inner surface hydroxyls, which are hydrogen bonded to the adsorbed water molecules. The hydroxyl-stretching band of the inner hydroxyl is observed at 3621 cm-1 in the Raman spectra of the CRTA-treated formamide-intercalated kaolinites. The results of thermal analysis show that the amount of intercalated formamide between the kaolinite layers is independent of the presence of water. Significant differences are observed in the CO stretching region between the adsorbed and intercalated formamide.

Detailed analysis of a conservative difference approximation for the time fractional diffusion equation

Diffusion equations that use time fractional derivatives are attractive because they describe a wealth of problems involving non-Markovian Random walks. The time fractional diffusion equation (TFDE) is obtained from the standard diffusion equation by replacing the first-order time derivative with a fractional derivative of order α ∈ (0, 1). Developing numerical methods for solving fractional partial differential equations is a new research field and the theoretical analysis of the numerical methods associated with them is not fully developed. In this paper an explicit conservative difference approximation (ECDA) for TFDE is proposed. We give a detailed analysis for this ECDA and generate discrete models of random walk suitable for simulating random variables whose spatial probability density evolves in time according to this fractional diffusion equation. The stability and convergence of the ECDA for TFDE in a bounded domain are discussed. Finally, some numerical examples are presented to show the application of the present technique.

Determination of preventive maintenance lead time using hybrid analysis

The time for conducting Preventive Maintenance (PM) on an asset is often determined using a predefined alarm limit based on trends of a hazard function. In this paper, the authors propose using both hazard and reliability functions to improve the accuracy of the prediction particularly when the failure characteristic of the asset whole life is modelled using different failure distributions for the different stages of the life of the asset. The proposed method is validated using simulations and case studies.