American Society of Naturalists

A membership society whose goal is to advance and to diffuse knowledge of organic evolution and other broad biological principles so as to enhance the conceptual unification of the biological sciences.

“A new method to reconstruct quantitative food webs and nutrient flows from isotope tracer addition experiments”

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Andrés López-Sepulcre, Matthieu Bruneaux, Sarah M. Collins, Rana El-Sabaawi, Alexander S. Flecker, and Steven A. Thomas (June 2020)

Unveiling the circle of life using isotopes and Bayesian statistics

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One of the modeled streams.<br />(Credit: Antoine Leduc)
One of the modeled streams.
(Credit: Antoine Leduc)

Nutrient cycles underpin all ecosystem processes and services, from productivity to water quality. While ecologists and biogeochemists have a pretty good idea of the main players and general patterns of different nutrient cycles, precisely quantifying the travel of nutrients among different parts of a given ecosystem remains challenging. One way that ecologists have approached this is by performing isotope tracer addition experiments. These experiments consist of slowly dripping small amounts of a rare isotopic form of the nutrient in question (a variation of the same element with an unusually high number of neutrons). Tracking their increase in different organisms during the experimental addition gives us an idea of how fast nutrients flow from one component of the ecosystem to the other. Despite giving us important insights on the dynamics of elements in ecosystems, these experiments lacked a framework that would allow us to quantify nutrient flows statistically, and therefore compare different experiments rigorously. This is important in understanding how nutrient cycles are affected by a variety of factors. In this article, López-Sepulcre and colleagues develop a mathematical framework to analyze isotope tracer additions statistically and illustrate it by comparing the nitrogen cycle of two montane tropical streams of the island of Trinidad differing in their light availability.


Abstract

Understanding how nutrients flow through food webs is central in ecosystem ecology. Tracer addition experiments are powerful tools to reconstruct nutrient flows by adding an isotopically enriched element into an ecosystem, and tracking its fate through time. Historically, the design and analysis of tracer studies have varied widely, ranging from descriptive studies to modeling approaches of varying complexity. Increasingly, isotope tracer data is being used to compare ecosystems and analyze experimental manipulations. Currently, a formal statistical framework for analyzing such experiments is lacking, making it impossible to calculate the estimation errors associated with the model fit, the interdependence of compartments, or the uncertainty in the diet of consumers. In this paper we develop a method based on Bayesian Hidden Markov Models, and apply it to the analysis of 15N-NH4+ tracer additions in two Trinidadian streams in which light was experimentally manipulated. Through this case study, we illustrate how to estimate N fluxes between ecosystem compartments, turnover rates of N within those compartments, and the associated uncertainty. We also show how the method can be used to compare alternative models of food web structure, calculate the error arround derived parameters, and make statistical comparisons between sites or treatments.

Une nouvelle méthode de reconstruction quantitative des réseaux trophiques et des flux de nutriments à partir d’expériences d’ajout de traceurs isotopiques

Comprendre la manière dont les nutriments circulent au sein des réseaux trophiques est essentiel en écologie des écosystèmes. Les expériences d’ajout de traceur – consistant à ajouter un élément présentant un enrichissement isotopique dans un écosystème et à suivre son devenir au cours du temps – constituent un outil puissant pour reconstruire les flux de nutriments. Historiquement, ces données ont été analysées en recourant à méthodes diverses, allant d’études descriptives jusqu’à des modélisations plus ou moins complexes. Les données de traceurs isotopiques sont de plus en plus utilisées pour comparer des écosystèmes et analyser des manipulations expérimentales. Actuellement, il n’existe toujours pas de cadre statistique formel pour analyser ce type de données, ce qui rend impossible le calcul des erreurs d’estimation associées avec l’ajustement des modèles, de l’interdépendance des compartiments, ou encore de l’incertitude des régimes alimentaires des consommateurs. Dans cet article, nous présentons une méthode bayésienne basée sur des modèles de Markov cachés, et nous l’appliquons à l’analyse d’ajouts du traceur 15N-NH4+ dans deux cours d’eau de l’île de la Trinité dans lesquels l’exposition lumineuse a été manipulée expérimentalement. Dans cette étude, nous montrons comment estimer les flux d’azote entre les compartiments de l’écosystème, les taux de renouvellement d’azote au sein de ces compartiments et les incertitudes associées. Nous montrons également que cette méthode peut être utilisée pour comparer des modèles de structures alternatives de réseaux trophiques, calculer l’erreur des paramètres dérivés, et réaliser des comparaisons statistiques entre des sites ou des traitements.