Clase2.knit

El contenido de esta clase se basara mayoritariamente en el libro Community Ecology Analytical Methods Using R and Excel by Mark Gardener

Los índices de diversidad biológica son medidas cuantitativas que se utilizan para evaluar la diversidad de especies en un área determinada. Estos índices se utilizan comúnmente en la ecología y la conservación para medir la riqueza de especies, la evenness (equidad) de la distribución de especies y la distancia entre especies. Algunos ejemplos comunes de índices de diversidad biológica incluyen:

Contenido

Diversidad: Riqueza de especies.

Riqueza de especie se refiere simplemente al numero de especies que hay en un area determinada. Para estimar la riqueza de especie solo requiere tener una lista de las especies observadas.

La riqueza de especies puede ser usada coma variable respuesta (dependiente) en varios analisis, sin embargo, para realizarlo hay que asegurarse que el esfuerzo de muestreo es el mismo para todas las replicas. Una vez hemos tomado en cuenta el problema de esfuerzo de muestreo, hay dos formas de analisar la riqueza de especies.

Comparar differencias en la riqueza de especie con alguna variable (categorica)
Correlacionar la riqueza de especie con alguna variable (numerica)

Primero vamos a cargar la base de datos bird.sta.csv para estimar la riqueza de especie por sitio de estudio.

Estimar la riqueza de especie por cada unidad de muestreo

En nuestra base de datos bird cada fila corresponde a un esfuerzo de muestreo. Para poder estimar la riqueza de especie utilizaremos el paquete vegan.

Instalar paquete vegan

install.packages("vegan")

Cargar el paquete vegan

library(vegan)

## Loading required package: permute

## Loading required package: lattice

## This is vegan 2.6-4

Utilizaremos el comando specnumber para estimar la riqueza de especie por unidad de muestreo

Observe que hemos creado la variable Riqueza la cual contiene la riqueza de especie para cada una de las filas de nuestra base de datos bird. El comando head() nos permite visualizar las primeras 6 observaciones.

Estimar la riqueza de especie por la variable basin

Ahora Utilizaremos el comando specnumber condicionada por la variable basin.

Como se puede observar tenemos obtenemos tres numeros (65, 68, 65 ), estos hace referencia a la riqueza de especie para basin D, L y N respectivamente.

Comparando riqueza de especies

Una simple comparacion de espcies solamente es posible cuando hay equivalencia en el esfuerzo de muestreo.

Un unico valor de riqueza de especie no es suficiente para una comparacion, por lo que tendremos que recurir a tecnicas estadisticas para saber si en realidad la riqueza de especie entre basin difiere.

Riqueza de especie por basin (visual )

Comencemos con una comparacion visual utilizando un grafico de caja

Observe que ahora tenemos varios valores de riqueza por basin.

para realizar la grafica de caja utilizaremos el comando boxplot()

Que podemos concluir con este grafico de caja?

Riqueza de especie por basin (numerico)

Como la grafica de caja no muestra una diferencia marcada, vamos a intentar ser un poco mas descriptivos utilizando valores de tendencia central y dispersion.

Comenzemos estimando la media de la riqueza de especie por basin

Al parecer el basin N presenta una media ligeramente mayor que basin D y L, pero tenemos que revisar el error estandard. Para esto utilizaremos el paquete FSA

Como se puede observar obtenimos una tabla con la cantidad de muestras (n) y desviacion standart (sd), esto nos permitira estimar el error estandar y los intervalos de confianza.

BasinRiqueza$ES <- BasinRiqueza$sd / sqrt(BasinRiqueza$n)

BasinRiqueza$IC95 <- 1.96 * BasinRiqueza$sd / sqrt(BasinRiqueza$n)

Ahora que tenemos la media e intervalos de confianza podemos generar un grafico de caja modificado, utilizando el paquete ggplot2

Que podemos concluir con este grafico de que utiliza la media e intervalos de confianza la 95% ?

Riqueza de especie y esfuerzo de muestreo

Por ahora hemos realizado algunos analisis sin tomar en cuenta la cantidad de muestras por sitio, una forma de solucionar esto es utilizando una curva de acumulacion de especies.

La curva de acumulación de especies es un gráfico que muestra la relación entre el número de especies de una comunidad y el tamaño de la muestra del área en la que se encuentran. Se utiliza comúnmente en la ecología para entender cómo varía la biodiversidad en diferentes áreas y cómo afecta a la estabilidad y funcionamiento de los ecosistemas.

La curva de acumulación de especies se construye mediante el muestreo sistemático de un área y el registro del número de especies que se encuentran en cada muestra. A medida que se aumenta el tamaño de la muestra, se espera que el número de especies encontradas aumente también, pero a un ritmo decreciente. Esto se debe a que, a medida que se aumenta el tamaño de la muestra, es más probable que se incluyan especies raras y poco comunes, lo que se refleja en un aumento más lento del número de especies a medida que se aumenta el tamaño de la muestra.

La curva de acumulación de especies puede ser útil para comparar la biodiversidad de diferentes áreas y para entender cómo la diversidad de especies afecta a la estabilidad y el funcionamiento de los ecosistemas. También puede ser utilizada para predecir el número total de especies en un área determinada y para identificar áreas con alta biodiversidad que pueden ser prioritarias para la conservación.

Curva de acumulacion de especie

Para realizar la curva de acumulacion de especie necesitamos utilizar el comando specaccum() del paquete vegan

Para visualizar la curva de acumulacion de especies nececitaremos utilizar el comando plo()

Comparacion de riqueza con curva de acumulacion de especie

Para realizar una comparacion de riqueza con una curva de acumulacion de especies, necesitaremos realizar algunas pasos extras

Primero separar nuestra tabla bird por catergoria de basin

Observe que tenemos tres categorias D, L y N

Ahora estimamos la curva de acumulacion de especie por basin
Creamos un data frame para cada una de las categorias de basin
Ahora combinamos nuestras tablas
Necesitamos estimar los intervalos de confinza al 95%
Por ultimo realizamos nuetro grafico con ggplot

Que podemos concluir con este grafico?

Estimando la riqueza de especie total

Generalmente cuando realizamos muestreos no registramos algunas especies, en especial las especies raras. Hay varias tecnicas para estimar la riqueza de especie total en un sitio, estos metodos se pueden dividir en dos:

Estimaciones basadas en incidencia: Este metodo utiliza la frecuencia de especies por sitios
Estimaciones basadas en abundancia: Este metodo utilizada el conteo de especies en un sitio dado

Estimaciones basadas en incidencia

Son utiles cuando se tienen datos de presencia-ausencia, y tambien se pueden utilizar cuando tenemos abundancias.

Pueden ser calculados utilizando el comando specpool() del paquete vegan

Riqueza_incidencia <- specpool(bird[,4:81], pool = bird$basin)

Haremos un grafico rapido

plot(poolaccum(bird[,4:81]))

Estimaciones basadas en abundancia

Cuando se tienen datos de abundancia se pueden utilizar diferenctes tecnicas y estimadores para la riqueza de especies total para cada sitio.

Pueden ser calculados utilizando el comando estimateR del paquete vegan

Riqueza_abundancia <- estimateR(bird[,4:81])

## Warning in sqrt(sum(Deriv.Ch1 %*% t(Deriv.Ch1) * (diag(a) - a %*%
## t(a)/S.ACE))): NaNs produced
## Warning in sqrt(sum(Deriv.Ch1 %*% t(Deriv.Ch1) * (diag(a) - a %*%
## t(a)/S.ACE))): NaNs produced

Riqueza_abundancia <- data.frame <- t(Riqueza_abundancia)

Indices de diversidad

Índice de Shannon: mide la diversidad de especies en un área y también tiene en cuenta la evenness de la distribución de especies.

Índice de Simpson: mide la diversidad de especies en un área y también tiene en cuenta la riqueza de especies.

Indice de Simpson

El índice de diversidad de Simpson es una medida de la diversidad de especies en una comunidad o en un área determinada. Se utiliza para evaluar la riqueza de especies y la evenness (igualdad) en la distribución de las poblaciones de especies en un área determinada.

El índice de diversidad de Simpson se calcula sumando las probabilidades de encontrar dos individuos de cada especie al azar en una muestra, y luego tomando el inverso de esta suma. Matemáticamente, el índice de diversidad de Simpson se puede expresar como:

\(D = 1 / Σ(n / N)^2\)

Donde:

D es el índice de diversidad de Simpson
n es el número de individuos de cada especie en la muestra
N es el número total de individuos en la muestra
Σ es la sumatoria de todas las especies presentes en la muestra

El índice de diversidad de Simpson es una medida relativa y su valor puede variar entre 0 y 1, donde un valor más cercano a 1 indica una mayor diversidad de especies y una mayor igualdad en la distribución de las poblaciones de especies. El índice de diversidad de Simpson se utiliza comúnmente en la ecología y la conservación de la biodiversidad para evaluar la riqueza de especies y la estabilidad de los ecosistemas.

para estimar el indice de simpson podemos utilizar el comando diversity() del paquete vegan

Indice de Shannon

El índice de Shannon es una medida de la diversidad de especies en una comunidad o en un área determinada. Se utiliza para evaluar la riqueza de especies y la evenness (igualdad) en la distribución de las poblaciones de especies en un área determinada.

El índice de Shannon se calcula sumando la entropía de cada especie en la muestra y luego multiplicando esta suma por el inverso de la entropía máxima posible. Matemáticamente, el índice de Shannon se puede expresar como:

\(H = -Σ(n / N) * ln(n / N)\)