12 sept 2018 · Un indice d'équitabilité est indépendant du nombre d'espèces (donc de la généralisation de l'indice de Pielou, en cohérence avec l'entropie
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Comment calculer les indices de PIELOU 21 partir de données d'inventaire écologique spatio-temporelle donnke et de leur II équitabilité i ~ , terme
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Mesures
de la BiodiversitéEric Marcon
Version: 12 septembre 2018
Je remercie François Morneau pour sa relecture attentive de la première version de ce document et sa contribution décisive pour la bonne utilisation de R dans les exemples. Bruno Hérault et Chris Baraloto ont contribué à la revue de la littérature de façon significative. Ce document est réalisé de façon dynamique et reproductible grâce à : LATEX, dans sa distribution Miktex (http://miktex.org/) et la classememoir (http://www.ctan.org/pkg/memoir); •R (http://www.r-project.org/) et RStudio (http://www.rstudio.com/); •knitr(http://yihui.name/knitr/). Son code source est publié sur GitHub (https://github.com/EricMarcon/MesuresBioDiv).
Unité Mixte de Recherche
ECOlogie
desFOrêts
deGuyane
UMR Écologie des forêts de Guyane
http://www.ecofog.gf Les opinions émises par les auteurs sont personnelles et n"engagent ni l"UMREcoFoG ni ses tutelles.
Photographie en couverture: Hadrien Lalagüe
Sommaire
Notationsv
I Notions et outils 1
1 Notions de Diversité 3
2 Outils11
II Diversité neutre d"une communauté 19
3 Mesures neutres de la diversité alpha ou gamma 21
4 Entropie53
5 Équitabilité 79
III Diversité fonctionnelle et phylogénétique 896 Cadre91
7 Mesures particulières 99
8 Entropie phylogénétique 121
9 Diversité de Leinster et Cobbold 127
IV Diversité beta et décomposition 143
10 Cadre145
11 Diversité de différentiation 153
12 Décomposition de l"entropie HCDT 169
iii iv13 Décomposition de la diversité phylogénétique et fonctionnelle 185
14 Tests de significativité 191
15 Autres approches 195
V Diversité jointe, diversité structurelle 19916 Cadre201
17 Information mutuelle 203
18 Décomposition de la diversité jointe 207
VI Diversité spatialement explicite 211
19 Cadre213
20 Indice alpha de Fisher 215
21 Accumulation de la diversité locale 223
22 Diversité régionale 233
23 Diversité beta spatialement explicite 243
VIIConclusion 247
24 Synthèse249
Bibliographie253
Table des matières 270
Notations
L esnotations peuvent différer de celles de la littérature citée pour l"homogénéité de ce document. Les matrices sont notées en caractères gras et majuscules :X. Les éléments de la matriceXsont notésxi,j. Les vecteurs sont notés en gras minuscule :p. Les nombres sont notés en minuscules,n, et les variables aléatoires en majuscules :N. Les valeurs maximales des énumérations font exception : elles sont notées en majuscules pour les distinguer des indices :?Ss=1ps= 1. Le produit matriciel deXetYest notéXY. Dans les scripts R, l"opérateur est%*%. Le produit de Hadamard (terme à terme) est notéX◦Y(opérateur*dans R). De mêmeXnindique la puissancenau sens du produit matriciel d"une matrice carrée (opérateur%?%du packageexpm), alors queX◦nest la matrice dont chaque terme est celui deXà la puissancen(opérateur? de R). La matrice transposée deXest notéeX?.Les notations sont les suivantes :
1 (·): la fonction indicatrice, qui vaut 1 si la condition dans la parenthèse est vraie, 0 sinon. 1 s : le vecteur de longueurscomposé uniquement de 1.1s1?s=Js oùJsest la matrice carré de taillesne contenant que des 1. A: l"aire d"étude, et, selon le contexte, sa surface. : la probabilité moyenne des espèces représentées parνindivi- dus. C : le taux de couverture de l"échantillon, c"est-à-dire la probabilité qu"un individu de la communauté appartienne à une des espèces échantillonnées.Cnest le taux de couverture correspondant à unéchantillon de taillen.
qD : la diversité vraie (nombre de Hill pour les diversitésαetγ), nombre équivalent de communautés pour la diversitéβ.q iDαest la diversitéαmesurée dans la communautéi.q¯D(T)est la diversité phylogénétique. : la matrice de dissimilarité dont les éléments sontδs,t, la dissimilarité entre l"espèceset l"espècet. E(X): l"espérance de la variable aléatoireX. qH : l"entropie de Tsallis (ou HCDT).q iHαest l"entropieαmesurée v viNotationsdans la communautéi. Si nécessaire, le vecteur des probabili- tés servant au calcul est précisé sous la formeqH(p).q¯H(T)est l"entropie phylogénétique. I : le nombre de communautés qui constituent une partition de la méta-communauté dans le cadre de la décomposition de la diversité. Les communautés sont indexées pari. I (ps): l"information apportée par l"observation d"un évènement de probabilitéps.I(qs,ps)est le gain d"information apporté par l"expérience (qsest observé) par rapport aux probabilitéspsat- tendues. I s : la matrice identité de rangs: matrice carrée de tailles×s dont la diagonale ne comporte que des 1 et les autres élements sont nuls. N : le nombre (aléatoire) d"individus se trouvant dans l"aire d"étude.Nsest la même variable aléatoire, mais restreinte aux individus de l"espèces. n : le nombre d"individus échantillonnés.ns,iest le nombre d"in- dividus de l"espècesdans la communautéi. Les effectifs totaux sontns+(pour l"espèces),n+ipour la communautéietnle total général. S"il n"y a qu"une communauté, le nombre d"individus par espèce estns. p s : la probabilité qu"un individu tiré au hasard appartienne à l"espèces. Son estimateur,ˆpsest la fréquence observée.ps|iest la même probabilité dans la communautéi. p =(p1,p2,...,ps,...,pS): le vecteur décrivant la distribution des probabilitésps, appelé simplexe en référence à sa représenta- tion dans l"espace àSdimensions. : la probabilité qu"une espèce choisie au hasard soit représentée parνindividus,?nν=1πν=1. Si l"espèce est choisie explicitement, la probabilité est notéeπns. qR: l"entropie de Rényi d"ordreq. S : le nombre d"espèces, considéré comme une variable aléatoire, estimé parˆS. S nν : le nombre d"espèces, considéré comme une variable aléatoire, observéesνfois dans l"échantillonnage. L"indice est le nombre de fois où l"espèce est détectée : par exempleS1ouS?=0. L"exposant est la taille de l"échantillon :SApour la surfaceAouˆSnpour un échantillon denindividus.SA0est le nombre d"espèces non rencontrées dans la surfaceA. Pour alléger les notations, s"il n"y a pas d"ambiguïté, l"indice est omis pour les espèces présentes : SA?=0est notéSA. Si l"exposant n"est pas noté, l"échantillon n"est pas précisé et peut être aussi bien un nombre d"individus qu"une surface. s nν : le nombre d"espèces observées, avec les mêmes notations que ci-dessus.snνpeut être considéré comme une réalisation deSnν.Notationsviit
n1-α/2: le quantile d"une loi de Student àndegrés de liberté au seuil de risqueα, classiquement 1,96 pourngrand etα= 5%. Z : la matrice de similarité entre espèces dont les éléments sont zs,t, la similarité entre l"espèceset l"espècet.Γ(·): la fonction gamma.
Ψ(·): la fonction digamma.?n
k?: le nombre de combinaisons dekéléments parmin: ?n k? =n!k!(n-k)!Première partie
Notions et outils
1 1C. Meine et al. (2006). " "A
mission-driven discipline" : The growth of conservation biology ».In :Conservation Biology20.3,
p. 631-651.doi:10 . 1111 / j . 1523 -1739.2006.00449.x.
2E. O. Wilson et F. M. Peter,
éd. (1988).Biodiversity. Washington,
D.C. : The National Academies Press.
3P. Blandin (2014). " La diver-
sité du vivant avant (et après) la bio- diversité : repères historiques et épis- témologiques ». In :La biodiversité en question. Enjeux philosophiques,éthiques et scientifiques. Sous la dir.
d"E. Casetta et J. Delord. Paris : Edi- tions Matériologiques. Chap. 1, p. 31- 68.4