Ecosystem patterns are often derived from processes that span multiple spatiotemporal scales, but developing observational research programs that relate ecological phenomena across scales is a major challenge. Ecological observational research and experimentation is often conducted on short time scales and across limited spatial extent. As a result, the frame of inference through which we examine ecosystems has the potential to bias our conclusions about their dynamics. Recent advances in field-sampling technologies and modern computing provide rocky intertidal ecologists unique opportunities to collect and analyze biological information at scales commensurate with those of the processes affecting these communities. In addition, some long-term ecological monitoring programs have reached maturity, now providing multiple decades worth of data on patterns and trends in rocky intertidal ecosystems. This intersection of advancing technology and the maturation of the field of study provides an opportunity to understand the inherent variation in ecological communities, detect current changes in their structure and function, and forecast their responses to future local stressors and global change. The general goal of this dissertation is to capitalize on this opportunity by using the long-term monitoring of the rocky intertidal zone of the Northeast Pacific Coast (NPC) as a case study to explore how the spatial and temporal frame of inference through which ecologists study natural communities influences our understanding of ecological patterns and processes.
In Chapter 1, I provide a status update of long-term rocky intertidal monitoring (LTM) on the NPC. I curated literature and interviewed 25 practitioners to describe, in detail, the methods employed in 37 community-level surveys by 18 LTM programs. I then characterized trade-offs between survey design components, identified key strengths and limitations, and provided recommendations for best practices. In doing so, I identified data gaps, research priorities, and action items for sustaining and improving this important work. Finally, I discussed ways the ecological insight gained from these datasets can be maximized. This analysis is timely, especially considering the threat that climate change and other anthropogenic stressors present to the persistence of rocky intertidal communities. More generally, this review provides insight that can benefit long-term monitoring within other marine ecosystems and support marine conservation.
In Chapter 2 I utilized a powerful combination of large-scale, long-term environmental and ecological data to provide the first quantitative assessment of how intertidal organisms distributed across 25.5 degrees of latitude on the NPC have responded to multi-decadal (2001 – 2022) sea-level rise, and insight into the confounding effects of cyclical celestial mechanics. Sea-level rise is one of the most pressing global change threats to the persistence of rocky intertidal communities around the globe, but our understanding of how they are responding to this stressor is limited. Sea-level rise is expected to drive an upward shift in intertidal zonation, decreased habitat availability, and increased competition for space. To complicate matters, celestial mechanics are known to cyclically modify tidal amplitudes, which influence emersion time and the average environmental conditions experienced by organisms occupying distinct tidal elevation bands. These results provide valuable and previously unavailable context for understanding long-term changes in rocky intertidal community structure and forecasting future community responses to extreme climactic events associated with global change, like extreme swell events and heat waves. Through this work I demonstrate the value of long-term monitoring data for understanding climate change impacts and disentangling the ecological effects of cyclical environmental variation and long-term environmental forcing. This work is timely and provides insight that can benefit field studies within other ecosystems and support marine conservation.
In Chapter 3, I provide an assessment of how large-area imaging and digital survey approaches can be used to complement existing long-term monitoring surveys. Specifically, I assessed whether species distribution modelling or digital sampling of large area-imaging products can be used to determine injury to rocky intertidal sites from an oil spill or other anthropogenic stressor. I developed generalized additive models trained on data from simultaneous MARINe Coastal Biodiversity Surveys and large-area imaging surveys at seven sites in Southern California that describe the relationship between species occurrence and various geomorphological parameters. I demonstrate that correlative models trained on existing CBS data species niche relationships can provide accurate estimates of species cover, both as sampled and at unsampled sites. I also show that digital sampling can provide accurate estimates of cover, but only for species lumps with reduced taxonomic resolution. This research suggests that large-area-imaging can be used to rapidly survey coastal habitat prior to an oil spill or other damaging event, and that correlative models can then be used to accurately estimate cover of intertidal species. This finding promises to improve impact assessment in the rocky intertidal zone through allowing impact assessments without needing to employ labor and time intensive in-situ or digital sampling, by leveraging rigorous relationships established by existing long-term monitoring data.
Ultimately, this dissertation shows that long-term monitoring efforts across the rocky intertidal zone of the Northeast Pacific Coast have provided ecological data describing species niche relationships, community ecology, and biogeography at unrivaled spatial and temporal scale. These data are robust and allow researchers to document and understand changes in community composition across a range of scales, from shifts in vertical distribution in relation to global change stressors at the coast-wide scale, down to change in cover of individual species at the site level after anthropogenic impact events. The maturation of this field of study paired with advances in imaging and data analysis technology, data sharing, and computational capacity promises a future in which researchers and resource managers better understand shifts in these communities and are better equipped to manage coastal resources.
Los patrones ecosistémicos a menudo se derivan de procesos que abarcan múltiples escalas espacio-temporales, pero desarrollar programas de investigación observacional que relacionen fenómenos ecológicos a través de escalas es un desafío importante. La investigación ecológica observacional y la experimentación suelen llevarse a cabo en escalas temporales cortas y en una extensión espacial limitada. Como resultado, el marco de inferencia a través del cual examinamos los ecosistemas tiene el potencial de sesgar nuestras conclusiones sobre su dinámica. Los avances recientes en tecnologías de muestreo de campo y en computación moderna brindan a los ecólogos del intermareal rocoso oportunidades únicas para recopilar y analizar información biológica a escalas acordes con los procesos que afectan a estas comunidades. Además, algunos programas de monitoreo ecológico a largo plazo han alcanzado la madurez, proporcionando ahora varias décadas de datos sobre patrones y tendencias en los ecosistemas intermareales rocosos. Esta intersección entre el avance tecnológico y la maduración del campo de estudio brinda una oportunidad para comprender la variación inherente en las comunidades ecológicas, detectar cambios actuales en su estructura y función, y prever sus respuestas a futuros estresores locales y al cambio global. El objetivo general de esta tesis es aprovechar esta oportunidad utilizando el monitoreo a largo plazo de la zona intermareal rocosa de la costa noreste del Pacífico (NPC, por sus siglas en inglés) como un estudio de caso para explorar cómo el marco espacial y temporal de inferencia a través del cual los ecólogos estudian las comunidades naturales influye en nuestra comprensión de los patrones y procesos ecológicos.
En el Capítulo 1, presento una actualización del estado del monitoreo intermareal rocoso a largo plazo (LTM, por sus siglas en inglés) en la NPC. Curé literatura y entrevisté a 25 profesionales para describir, en detalle, los métodos empleados en 37 encuestas a nivel comunitario realizadas por 18 programas LTM. Luego caractericé las compensaciones entre los componentes del diseño de las encuestas, identifiqué fortalezas y limitaciones clave, y proporcioné recomendaciones para las mejores prácticas. Al hacerlo, identifiqué vacíos de datos, prioridades de investigación y acciones necesarias para sostener y mejorar este importante trabajo. Finalmente, discutí formas de maximizar el conocimiento ecológico derivado de estos conjuntos de datos. Este análisis es oportuno, especialmente considerando la amenaza que el cambio climático y otros estresores antropogénicos representan para la persistencia de las comunidades intermareales rocosas. Más en general, esta revisión proporciona ideas que pueden beneficiar el monitoreo a largo plazo en otros ecosistemas marinos y respaldar la conservación marina.
En el Capítulo 2, utilicé una poderosa combinación de datos ambientales y ecológicos a gran escala y a largo plazo para proporcionar la primera evaluación cuantitativa de cómo los organismos intermareales distribuidos a lo largo de 25.5 grados de latitud en la NPC han respondido al aumento del nivel del mar durante varias décadas (2001–2022), y ofrecer información sobre los efectos de confusión derivados de la mecánica celeste cíclica. El aumento del nivel del mar es una de las amenazas más apremiantes del cambio global para la persistencia de las comunidades intermareales rocosas en todo el mundo, pero nuestra comprensión de cómo están respondiendo a este estresor es limitada. Se espera que el aumento del nivel del mar provoque un desplazamiento hacia arriba en la zonación intermareal, una disminución de la disponibilidad de hábitat y un aumento de la competencia por el espacio. Para complicar las cosas, se sabe que la mecánica celeste modifica cíclicamente las amplitudes de las mareas, lo que influye en el tiempo de emersión y en las condiciones ambientales promedio experimentadas por los organismos que ocupan distintas bandas de elevación mareal. Estos resultados proporcionan un contexto valioso y previamente no disponible para comprender los cambios a largo plazo en la estructura de las comunidades intermareales rocosas y prever sus respuestas futuras a eventos climáticos extremos asociados al cambio global, como grandes marejadas y olas de calor. A través de este trabajo demuestro el valor de los datos de monitoreo a largo plazo para comprender los impactos del cambio climático y desentrañar los efectos ecológicos de la variabilidad ambiental cíclica y la presión ambiental a largo plazo. Este trabajo es oportuno y proporciona información que puede beneficiar los estudios de campo en otros ecosistemas y respaldar la conservación marina.
En el Capítulo 3, realizo una evaluación de cómo la obtención de imágenes de grandes áreas y los enfoques de muestreo digital pueden utilizarse para complementar las encuestas de monitoreo a largo plazo existentes. Específicamente, evalué si la modelación de distribución de especies o el muestreo digital de productos de imágenes de gran área pueden utilizarse para determinar el daño en sitios intermareales rocosos causado por un derrame de petróleo u otro estresor antropogénico. Desarrollé modelos aditivos generalizados entrenados con datos de encuestas simultáneas de biodiversidad costera (CBS) del programa MARINe y de encuestas con imágenes de gran área en siete sitios del sur de California, que describen la relación entre la presencia de especies y varios parámetros geomorfológicos. Demuestro que los modelos correlativos entrenados con datos existentes de relaciones de nicho de especies de CBS pueden proporcionar estimaciones precisas de la cobertura de especies, tanto en sitios muestreados como no muestreados. También muestro que el muestreo digital puede proporcionar estimaciones precisas de cobertura, pero solo para agrupaciones de especies con resolución taxonómica reducida. Esta investigación sugiere que la obtención de imágenes de gran área puede utilizarse para encuestar rápidamente hábitats costeros antes de un derrame de petróleo u otro evento perjudicial, y que los modelos correlativos pueden luego utilizarse para estimar con precisión la cobertura de especies intermareales. Este hallazgo promete mejorar la evaluación de impactos en la zona intermareal rocosa al permitir evaluaciones sin necesidad de recurrir a muestreos in situ o digitales intensivos en tiempo y trabajo, aprovechando las relaciones rigurosas establecidas por los datos existentes de monitoreo a largo plazo.
En última instancia, esta tesis demuestra que los esfuerzos de monitoreo a largo plazo en la zona intermareal rocosa de la costa noreste del Pacífico han proporcionado datos ecológicos que describen las relaciones de nicho de especies, la ecología comunitaria y la biogeografía en una escala espacial y temporal sin precedentes. Estos datos son sólidos y permiten a los investigadores documentar y comprender los cambios en la composición de las comunidades a distintas escalas, desde desplazamientos en la distribución vertical en relación con los estresores del cambio global a escala de toda la costa, hasta cambios en la cobertura de especies individuales a nivel de sitio después de eventos de impacto antropogénico. La maduración de este campo de estudio, junto con los avances en tecnología de imágenes, análisis de datos, intercambio de información y capacidad computacional, promete un futuro en el que los investigadores y gestores de recursos comprendan mejor los cambios en estas comunidades y estén mejor equipados para gestionar los recursos costeros.