Integrating simulated data, field surveys and experimentation to predict ecological community patterns

Abstract

Resumo: Estudos ecológicos que integram simulações, observações em campo e experimentos manipulativos são ferramentas poderosas na validação de teorias e no aprimoramento de predições de biodiversidade. O objetivo geral desta tese foiintegrar essas ferramentas usando modelagem inversa. Na primeira parte desta tese, introduzimos duas novas ferramentas para modelar comunidades empíricas ao longo de gradientes ambientais: o pacote R "segRDA" e o framework "EB-NB" (Capítulos 2 e 3, respectivamente). SegRDA modela respostas não-continuas de comunidades ecológicas a gradientes ambientais. Já o framework EB-NB e uma ferramenta para explorar a importância relativa de processos de seleção (baseados em nichos) e não seleção (baseados em neutralidade) na estruturação de comunidades ecológicas. Apos a apresentação desses resultados metodológicos, confrontamos teorias com dados simulados, através de observações de campo (Capitulo 4) e de manipulações experimentais (Capitulo 5). Dados de campo mostraram que a importância relativa dos processos de seleção e não-seleção depende do grupo de organismos em estudo: os nematoides tem um componente de não-seleção maior que a macrofauna. Já as manipulações experimentais mostraram que a capacidade suporte e o fator chave na predição de respostas de comunidades sob diferentes regimes de imigração e perturbação. Juntos, estes estudos mostraram que a integração entre modelagem, observações de campo e experimentos manipulativos pode levar a uma melhor compreensão dos processos que regem a dinâmica de comunidades. Palavras-chave: Ecologia teórica. Simulação. Estudo de campo. Experimentação. Nematoides.

Abstract: Studies based on theoretical assumptions designed to integrate data from observational surveys, computer simulation and manipulative experiments are powerful tools in validating the theory and enhancing our predictive power of biodiversity patterns. The overall purpose of this thesis was to test the predictions of theoretical models on simulated data, field surveys and on experimentally manipulated communities using inverse modelling designs and individual-based models. In the first part of this thesis, we introduced two new tools for modeling empirical communities along environmental gradients: the segRDA and the EB-NB framework (Chapters 2 and 3, respectively). SegRDA was designed to model non-continuous responses of ecological communities to environmental gradients, whereas EB-NB framework was designed to explore the relative importance of neutral and niche-based assembly processes in structuring ecological communities. Following the methodological results, we confront the theory and simulated data using data from empirical surveys (Chapter 4) and from experimental manipulations (Chapter 5). The empirical survey showed that the relative importance of selection and non-selection processes depends on the group of organisms under study: nematodes have a larger non-selective component compared to macrofauna. The experiments showed that carrying capacity is the key factor in predicting the community responses under different immigration regimes. Together, these chapters showed that the tight interplay between modeling, field observations and experiments can lead to a better understanding of the processes governing community dynamics. Keywords: Theoretical ecology. Simulation. Field surveys. Experimentation. Nematodes.