Spatiotemporal patterns in marine fish and cephalopods communities across scales: using an autoregressive spatiotemporal clustering model. A study of fish and cephalopods of the Eastern English Channel

Vert-pre K.A., Trancart T., Feunteun E.

Published date: June 2020
Volume: 44
Number: 2
Pagination: 095-112
Publisher: Société Française d’Ichtyologie
doi: https://doi.org/10.26028/cybium/2020-442-002
Notes:

Corresponding author: Katyana A. Vert-pre, vertpre.katyana@gmail.com

Abstract

In marine ecology, spatial and temporal fish community structure is important to understand ecosystem’s responses to anthropogenic and environmental factors. Although spatial distribution patterns and fish time series of abundance have been studied in the past, little research has addressed the impact of spatial scale on mapping spatiotemporal patterns. To achieve this goal, the first step is to develop a method describing spatiotemporal communities statistically. At three spatial resolutions, from 1043 km2 to 522 km2, we compared the output of a new framework, the Autoregressive Spatiotemporal Clustering analysis (ASTEC) and we finally retained the most parsimonious scale: 522 km2. ASTEC combines a zero-inflated Poisson model with latent predictors alongside a hierarchical clustering analysis using multiscale bootstrap resampling. It estimates the spatial and spatiotemporal communities formed by 16 species in the Eastern English Channel using 20 years of data from the Channel Ground Fishery Survey. Community structure was strongly dependent upon the spatial scale of analysis and the smallest scale provided the most parsimonious model. Moreover, integrating temporality in spatial studies defined a stable composition and richness community structure. Combining a spatial and spatiotemporal approaches highlighted cluster composition shifts over time. It shows that small-scale data should be used for studies on spatial connectivity and meta-community when integrating temporality. Moreover, the scale of the study did not matter anymore in a spatiotemporal case. A combined spatial and spatiotemporal approach defines community dynamics, and may help management and conservation efforts facing climate change and anthropogenic pressures.

Keywords: Marine communities - Spatial scale - Spatiotemporal model - Species cluster distribution
French abstract

Patrons d’organisation spatiotemporelle de communautés de poissons et céphalopodes à différentes échelles géographiques : apports d’un modèle de clustering spatiotemporel autorégressif. Une étude sur les poissons et céphalopodes à l’échelle de la Manche orientale

En écologie marine, l’analyse des variations spatiales et temporelles des communautés est essentielle pour comprendre les réponses de l’écosystème à l’impact des facteurs anthropiques et environnementaux. Les patrons de distributions spatiales et les séries temporelles d’abondance des poissons ont été étudiés par le passé, cependant peu de recherches ont été consacrées aux effets de l’échelle spatiale sur la structure des patrons spatiotemporels. Pour atteindre ces objectifs, il est essentiel de développer une méthode statistique d’analyse capable d’identifier les patrons spatio-temporels d’organisation de ces communautés. Nous avons comparé, à trois échelles spatiales : 1043 km2, 782 km2 et 522 km2, les sorties de modèles de clustering spatio-temporel autorégressif (ASTEC). ASTEC combine un modèle de Poisson zéro-inflation avec variables latentes suivi d’un modèle de clustering hiérarchique avec bootstrap multi-échelle. La méthode identifie les communautés spatiales et spatio-temporelles de 16 espèces de la Manche orientale à partir des données de campagne d’échantillonnage des espèces démersales de la Manche (CGFS) sur une période de 20 ans. La répartition des espèces en différentes communautés dépend fortement de l’échelle spatiale de l’étude, la plus petite d’entre elles (522 km2) étant la plus parcimonieuse. De plus, l’intégration de temporalité dans les études spatiales a permis de définir une composition et une diversité spécifiques stables des communautés. En outre, l’association d’approches spatiales et spatio-temporelles a révélé des changements de proportion des espèces des communautés. ASTEC fournit une quantification précise de la structure des communautés spatiales et spatio-temporelles. Ce modèle suggère que des données à petite échelle devraient être utilisées pour l’étude des méta-populations.  De plus, l’effet de l’échelle pourrait devenir négligeable quand on intègre des variations temporelles à l’étude des communautés. Joindre une approche spatiale à une approche spatio-temporelle permet de définir la dynamique des communautés et contribue à l’amélioration de la prise de décision en matière de gestion et de conservation face au changement climatique et aux pressions anthropiques

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