biomes: An R package for reproducible occurrence-to-biome classification using 31 global biome schemes

Op een wereldkaart wordt het land vaak verdeeld in brede, uitgestrekte vegetatiezones. Deze zones, bekend als biomen, zijn de grote ecologische buurten van onze planeet, variërend van de dichte, vochtige regenwouden van de tropen tot de droge, open savannes en de bevroren uitgestrektheid van de polaire regio's. Wetenschappers gebruiken deze categorieën om te begrijpen hoe het leven over de wereld is verdeeld, hoe soorten zich aanpassen aan hun omgeving en hoe ecosystemen in de toekomst kunnen veranderen. Er is echter een aanzienlijk probleem met de manier waarop deze zones momenteel worden gedefieerd. Net zoals verschillende cartografen de grenzen van een land op ietwat andere manieren kunnen tekenen, hebben ecologen tientallen verschillende kaarten voor deze biomen gemaakt. Sommige kaarten richten zich op het klimaat dat plantengroei aanstuurt, andere op de fysieke vorm van de vegetatie, en weer andere op hoe mensen het landschap hebben veranderd. Omdat deze kaarten vaak van mening verschillen over waar het ene biome eindigt en het andere begint, worstelen onderzoekers er regelmatig mee om de juiste kaart te kiezen voor hun specifieke vraag. Deze onzekerheid kan leiden tot verwarring, waarbij een studie per ongels een kaart gebruikt die de patronen die het probeert te meten vervormt, of waarbij verschillende wetenschappers die dezelfde groep dieren of planten bestuderen, tot tegenstrijdige conclusies komen simpelweg omdat ze verschillende definities van de wereld om hen heen gebruikten.

Om deze verwarring op te lossen, heeft een team van onderzoekers een nieuwe digitale tool ontwikkeld genaamd het biomes-pakket, ontworpen om orde te brengen in dit chaotische landschap van kaarten. De kern van hun werk is een collectie van eenendertig verschillende wereldwijde biome-schema's, allemaal gestandaardiseerd en voorbereid voor gebruik binnen de programmeertaal R, een standaardinstrument voor ecologische data-analyse. In plaats van wetenschappers te dwingen om deze verschillende kaarten handmatig te downloaden, op te schonen en uit te lijnen, biedt het pakket ze in één geharmoniseerd formaat. Belangrijker nog is dat het pakket niet alleen de kaarten biedt; het biedt een methode om te beslissen welke het beste is voor een specifieke studie. De onderzoekers creëerden een workflow die een lijst van waar een soort is aangetroffen neemt en deze test tegen alle beschikbare kaarten. Het rangschikt deze kaarten vervolgens op basis van hoe goed ze bij de gegevens passen, waarbij gezocht wordt naar het schema dat de meeste records vastlegt terwijl het nog steeds onderscheid maakt tussen de verschillende soorten omgevingen die de soort daadwerkelijk bezet. Deze aanpak stelt onderzoekers in staat om weg te bewegen van het blindelings kiezen van een bekende kaart en in plaats daarvan de kaart te kiezen die wiskundig en conceptueel het beste geschikt is voor hun specifieke onderzoeksvraag.

Het team demonstreerde de kracht van dit nieuwe systeem door het toe te passen op een groep planten die bekend staat als Bombacoideae, een onderfamilie waartoe de beroemde boebaboom en de kapokboom behoren. Ze verzamelden meer dan 17.000 geregistreerde locaties voor 185 verschillende soorten binnen deze groep. Toen ze hun gegevens door de biomes-workflow haalden, evalueerde het systeem de eenendertig beschikbare kaarten en identificeerde, na te filteren op kaarten die zich richtten op vegetatietypes, een specifieke historische kaart van Ramankutty en Foley als de beste match. Deze kaart, die reconstrueert hoe de natuurlijke vegetatie eruit zou zien zonder menselijke interferentie, sorteerde de plantrecords succesvol in betekenisvolle categorieën. De analyse onthulde dat bijna de helft van alle geregistreerde planten, en de overgrote meerderheid van de soorten, voorkwam in tropische evergreen woodlands (altijdgroene bossen). Een ander aanzienlijk deel werd gevonden in savannes. Deze bevindingen kwamen overeen met wat wetenschappers al vermoedden uit eerdere studies, wat bevestigde dat de groep inderdaad verdeeld is tussen bos- en savanneomgevingen. Door het biomes-pakket te gebruiken, waren de onderzoekers in staat om dit bekende patroon snel en transparant te reproduceren, zonder complexe, aangepaste code te hoeven schrijven of de gegevens handmatig te hoeven cureren.

De waarde van dit werk ligt in het vermogen om de keuze van een biome-kaart te maken tot een bewuste, op data gebaseerde beslissing in plaats van een standaard gewoonte. Voor deze tool koos een onderzoeker misschien een kaart simpelweg omdat het de eerste was die hij vond of de kaart die iedereen gebruikte, wat potentieel fouten introduceerde als die kaart niet overeenkwam met zijn specifieke studiedocument. Het nieuwe pakket zorgt ervoor dat de gekozen kaart degene is die de meeste van de gegevenspunten uit de studie dekt, terwijl er nog steeds genoeg detail is om de verschillen tussen omgevingen te zien. Het gaat om met de rommelige realiteit van wetenschappelijke gegevens, zoals records die op kustlijnen of eilanden vallen die sommige kaarten negeren, door ze een duidelijke status toe te kennen in plaats van ze te verliezen. Het systeem is snel, verwerkt duizenden records in seconden, en produceert heldere visualisaties die precies laten zien waar de planten zich bevinden in relaling tot de gekozen biome-grenzen. Door een gestandaardiseerde manier te bieden om deze eenendertig verschillende manieren te ontsluiten en te vergelijken om de vegetatie van de wereld te zien, helpt het biomes-pakket ervoor te zorgen dat ecologisch onderzoek reproduceerbaarder, nauwkeuriger en beter afgestemd is op de specifieke vragen die wetenschappers proberen te beantwoorden.