Assessment of vegetation species diversity based on the integrated statistical approach for heterogeneous data (a case study for the "Kaluzhskie zaseki" State Nature Reserve) | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2014. № 4 (28).

Assessment of vegetation species diversity based on the integrated statistical approach for heterogeneous data (a case study for the "Kaluzhskie zaseki" State Nature Reserve)

This paper deals with the problem of correct estimation of species diversity in heterogeneous vegetation data. We used a set of 722 phytosociological relevés from "Kaluzhskie zaseki" Reserve as a data example. Our main task was to correct the previously made estimations of plant diversity in the Reserve using modern statistical methods. The former analysis did not take into account a different number of relevés referenced to plant community types which had been determined earlier. To solve the problem we used the integrated statistical approach proposed by Colwell et al. (2012). The approach allowed us to obtain comparable interpolated or extrapolated estimates of species richness for different sample sizes on the basis of the unified theoretical framework and the species accumulation curves conception. Curves were built for 10 most represented community types. We carried out a comparison of species richness estimates resulted from the curves with the help of confidence intervals (95%) because a proper statistical test is not yet developed. Besides the species richness (gamma diversity), we also assessed alpha and beta diversity of vegetation. Means and medians of numbers of species per plot were calculated for the alpha diversity assessment of the community types. We assessed beta diversity using the following quantitative measures: (1) simple Whittaker’s index, (2) the average within-group Jaccard distance and (3) the index proposed by McCune and Grace (2002). Interpolated and extrapolated species richness was obtained in the EstimateS program; all other calculations were performed with the R statistical software. Analysis of species richness revealed two main groups of community types and two transitional ones. The least obvious result obtained by the statistical analysis was the same level of species richness in all communities dominated by nemoral plants in the ground layer. The earlier calculated higher species richness in broadleaved forests (dominated by Quercus robur, Fraxinus excelsior, Ulmus glabra, Tilia cordata, Acer platanoides and A. campestre) in comparing with forests dominated by Populus tremula, Betula spp. or Pinus sylvestris in the overstorey and by nemoral plants in the ground layer was determined by a different number of relevés referenced to these communities. Communities dominated by meadow and meadow-edge species in the ground layer are in the lead in terms of plant species richness. Our results confirmed that assessment of alpha, beta and gamma diversity of vegetation should be conducted by methods less dependent from sample sizes. We recommend using Colwell et al. (2012) approach for species richness compatible estimations, Jaccard and McCune indices for beta diversity measuring. Acknowledgments: this work was supported by Russian Foundation of Basic Research, grant No. 13-04-02181-а The article contains 2 tables, 5 figures, 22 ref.

Download file
Counter downloads: 287

Keywords

cluster analysis, beta diversity, number of species per plot, extrapolation, species accumulation curves, interpolation, species richness

Authors

NameOrganizationE-mail
Smirnov Vadim E. Institute of Mathematical Problems of Biology of the Russian Academy of Sciences, Pushchino
Khanina Larisa G.Institute of Mathematical Problems of Biology of the Russian Academy of Sciences, Pushchinokhanina.larisa@gmail.com
Bobrovsky Maxim V.Institute of Physico-Chemical and Biological Problems in Soil Science of the Russian Academy of Sciences, Pushchinomaxim.bobrovsky@gmail.com
Всего: 3

References

Mc Cune B., Grace J.B. Analysis of Ecological Communities. Gleneden Beach : MjM Software Design, 2002. 300 p.
Colwell R.K. EstimateS: statistical estimation of species richness and shared species from samples. 2013. Version 9. URL: http://viceroy.eeb.uconn.edu/estimates (дата обращения: 05.11.2014).
R Development Core Team. R: a language and environment for statistical computing. Vienna: R Foundation for Statistical Computing, 2012. URL: http://www.r-project.org (дата обращения: 05.11.2014).
Manly B.F.J. Randomization, bootstrap and Monte Carlo methods in biology. Boca Raton : Chapman & Hall CRC, 2007. 455 p.
Mao C.X., Li J. Comparing species assemblages via species accumulation curves // Biometrics. 2009. Vol. 65. P. 1063-1067.
Whittaker R.H. Evolution and measurement of species diversity // Taxon. 1972. Vol. 21. P. 213-251.
Smirnov V.E., Khanina L.G., Bobrovsky M.V. Validation of the ecological-coenotic groups of vascular plants for European Russian forests on the basis of ecological indicator values, vegetation releves and statistical analysis, URL: http://www.impb.ru/index.php?id=div/lce/ ecg&lang=eng (дата обращения: 05.11.2014).
Уиллиамс У.Т., Ланс Дж.Н. Методы иерархической классификации // Статистические методы для ЭВМ / под ред. К. Энслейн, Э. Рэлстон, Г.С. Уилф. М. : Наука, 1986. С. 269-301.
Смирнов В.Э., Ханина Л.Г., Бобровский М.В. Обоснование системы эколого-ценотических групп видов растений лесной зоны Европейской России на основе экологических шкал, геоботанических описаний и статистического анализа // Бюллетень МОИП. Серия биологическая. 2006. Т. 111, № 2. С. 36-47.
Ниценко А.А. Об изучении экологической структуры растительного покрова // Ботанический журнал. 1969. Т. 54, № 7. С. 1002-1014.
Заугольнова Л.Б., Ханина Л.Г., Комаров А.С., Смирнова О.В., Попадюк Р.В., ОстровскийМ.А., ЗубковаЕ.В., ГлуховаЕ.Ы., ПаленоваМ.М., ГубановВ.С., Грабарник П.Я. Информационно-аналитическая система для оценки сукцессионного состояния лесных сообществ. Препринт. Пущино : ОНТИ ПНЦ РАН, 1995. 51 с.
Смирнова О.В., Ханина Л.Г., Смирнов В.Э. Эколого-ценотические группы в растительном покрове лесного пояса Восточной Европы // Восточно-Европейские леса (история в голоцене и современность) / под ред. О.В. Смирновой. М. : Наука, 2004. Т. 1. С. 165-175.
Восточноевропейские широколиственные леса / под ред. О.В. Смирновой. М. : Наука, 1994. 364 с.
Справочник по климату СССР. Вып. 8 : Ярославская, Калининская, Московская, Владимирская, Смоленская, Калужская, Рязанская и Тульская области. Ч. IV : Влажность воздуха, атмосферные осадки и снежный покров / отв. ред. П.Б. Шехтман. Л. : Гидрометеоиздат, 1967. 359 c.
Растительность европейской части СССР / gод ред. С.А. Грибовой, Т.И. Исаченко, Е.М. Лавренко. Л. : Наука, 1980. 425 с.
Попадюк Р.В., Смирнова О.В., Заугольнова Л.Б., Ханина Л.Г., Бобровский М.В., Яницкая Т. О. Заповедник «Калужские засеки» // Сукцессионные процессы в заповедниках России и проблемы сохранения биологического разнообразия / под ред. О.В. Смирновой, Е.С. Шапошникова. СПб. : Российское ботаническое общество, 1999. С. 58-105.
Бобровский М.В., Ханина Л.Г. Заповедник «Калужские засеки» / Л.Б. Заугольнова (ред.). Оценка и сохранение биоразнообразия лесного покрова в заповедниках Европейской России. М. : Научный мир, 2000. С. 104-124.
Смирнова О.В., Попадюк Р.В., Заугольнова Л.Б., Ханина Л.Г. Оценка потерь флористического разнообразия в лесной растительности (на примере заповедника «Калужские засеки») // Лесоведение. 1997. № 2. С. 27-42.
Ханина Л.Г., Смирнов В.Э., Бобровский М.В. Новый метод анализа лесной растительности с использованием многомерной статистики (на примере заповедника «Калужские засеки») // Бюллетень МОИП. Серия биологическая. 2002. Т. 107, № 1. С. 40-48.
Colwell R.K., Chao A., Gotelli N.J., Lin S.-Y., Mao C.X., Chazdon R.L., Longino J.T. Models and estimators linking individual-based and sample-based rarefaction, extrapolation, and comparison of assemblages // Journal of Plant Ecology. 2012. Vol. 5. P. 3-21.
R Development Core Team. R: a language and environment for statistical computing. Vienna: R Foundation for Statistical Computing, 2012. URL: http://www.r-project.org (дата обращения: 05.11.2014).
Gotelli N.J., Chao A. Measuring and estimating species richness, species diversity, and biotic similarity from sampling data // Encyclopedia of Biodiversity / ed. by S.A. Levin. 2nd edition. Waltham, MA : Academic Press, 2013. Vol. 5. P. 195-211.
Chiarucci A., Palmer M.W. The inventory and estimation of plant species richness // Encyclopedia of life support systems (EOLSS) / eds. by A.H. El-Shaarawi, J. Jureckova. Oxford, UK : EOLSS Publishers, 2009. P. 94-116.
Colwell R.K. Estimate S: statistical estimation of species richness and shared species from samples. 2013. Version 9. URL: http://viceroy.eeb.uconn.edu/estimates (дата обращения: 05.11.2014).
Manly B.F.J. Randomization, bootstrap and Monte Carlo methods in biology. Boca Raton : Chapman & Hall CRC, 2007. 455 p.
Mao C.X., Li J. Comparing species assemblages via species accumulation curves // Biometrics. 2009. Vol. 65. P. 1063-1067.
Whittaker R.H. Evolution and measurement of species diversity // Taxon. 1972. Vol. 21. P. 213-251.
Mc Cune B., Grace J.B. Analysis of Ecological Communities. Gleneden Beach : MjM Software Design, 2002. 300 p.
Уиллиамс У.Т., Ланс Дж.Н. Методы иерархической классификации // Статистические методы для ЭВМ / под ред. К. Энслейн, Э. Рэлстон, Г.С. Уилф. М. : Наука, 1986. С. 269-301.
Smirnov V.E., Khanina L.G., Bobrovsky M.V. Validation of the ecological-coenotic groups of vascular plants for European Russian forests on the basis of ecological indicator values, vegetation releves and statistical analysis, URL: http://www.impb.ru/index.php?id=div/lce/ ecg&lang=eng (дата обращения: 05.11.2014).
Смирнов В.Э., Ханина Л.Г., Бобровский М.В. Обоснование системы эколого-ценотических групп видов растений лесной зоны Европейской России на основе экологических шкал, геоботанических описаний и статистического анализа // Бюллетень МОИП. Серия биологическая. 2006. Т. 111, № 2. С. 36-47.
Смирнова О.В., Ханина Л.Г., Смирнов В.Э. Эколого-ценотические группы в растительном покрове лесного пояса Восточной Европы // Восточно-Европейские леса (история в голоцене и современность) / под ред. О.В. Смирновой. М. : Наука, 2004. Т. 1. С. 165-175.
Заугольнова Л.Б., Ханина Л.Г., Комаров А.С., Смирнова О.В., Попадюк Р.В., ОстровскийМ.А., ЗубковаЕ.В., ГлуховаЕ.Ы., ПаленоваМ.М., ГубановВ.С., Грабарник П.Я. Информационно-аналитическая система для оценки сукцессионного состояния лесных сообществ. Препринт. Пущино : ОНТИ ПНЦ РАН, 1995. 51 с.
Ниценко А.А. Об изучении экологической структуры растительного покрова // Ботанический журнал. 1969. Т. 54, № 7. С. 1002-1014.
Справочник по климату СССР. Вып. 8 : Ярославская, Калининская, Московская, Владимирская, Смоленская, Калужская, Рязанская и Тульская области. Ч. IV : Влажность воздуха, атмосферные осадки и снежный покров / отв. ред. П.Б. Шехтман. Л. : Гидрометеоиздат, 1967. 359 c.
Восточноевропейские широколиственные леса / под ред. О.В. Смирновой. М. : Наука, 1994. 364 с.
Растительность европейской части СССР / gод ред. С.А. Грибовой, Т.И. Исаченко, Е.М. Лавренко. Л. : Наука, 1980. 425 с.
Смирнова О.В., Попадюк Р.В., Заугольнова Л.Б., Ханина Л.Г. Оценка потерь флористического разнообразия в лесной растительности (на примере заповедника «Калужские засеки») // Лесоведение. 1997. № 2. С. 27-42.
Попадюк Р.В., Смирнова О.В., Заугольнова Л.Б., Ханина Л.Г., Бобровский М.В., Яницкая Т. О. Заповедник «Калужские засеки» // Сукцессионные процессы в заповедниках России и проблемы сохранения биологического разнообразия / под ред. О.В. Смирновой, Е.С. Шапошникова. СПб. : Российское ботаническое общество, 1999. С. 58-105.
Colwell R.K., Chao A., Gotelli N.J., Lin S.-Y., Mao C.X., Chazdon R.L., Longino J.T. Models and estimators linking individual-based and sample-based rarefaction, extrapolation, and comparison of assemblages // Journal of Plant Ecology. 2012. Vol. 5. P. 3-21.
Ханина Л.Г., Смирнов В.Э., Бобровский М.В. Новый метод анализа лесной растительности с использованием многомерной статистики (на примере заповедника «Калужские засеки») // Бюллетень МОИП. Серия биологическая. 2002. Т. 107, № 1. С. 40-48.
Бобровский М.В., Ханина Л.Г. Заповедник «Калужские засеки» / Л.Б. Заугольнова (ред.). Оценка и сохранение биоразнообразия лесного покрова в заповедниках Европейской России. М. : Научный мир, 2000. С. 104-124.
Gotelli N.J., ChaoA. Measuring and estimating species richness, species diversity, and biotic similarity from sampling data // Encyclopedia of Biodiversity / ed. by S.A. Levin. 2nd edition. Waltham, MA : Academic Press, 2013. Vol. 5. P. 195-211.
Chiarucci A., Palmer M.W. The inventory and estimation of plant species richness // Encyclopedia of life support systems (EOLSS) / eds. by A.H. El-Shaarawi, J. Jureckova. Oxford, UK : EOLSS Publishers, 2009. P. 94-116.
 Assessment of vegetation species diversity based on the integrated statistical approach for heterogeneous data (a case study for the

Assessment of vegetation species diversity based on the integrated statistical approach for heterogeneous data (a case study for the "Kaluzhskie zaseki" State Nature Reserve) | Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya - Tomsk State University Journal of Biology. 2014. № 4 (28).

Download full-text version
Counter downloads: 2462