State-and-Transition Models for Heterogeneous Landscapes: A Strategy for Development and Application

Abstract

Interpretation of assessment and monitoring data requires information about how reference conditions and ecological resilience vary in space and time. Reference conditions used as benchmarks are often specified via potential-based land classifications (e.g., ecological sites) that describe the plant communities potentially observed in an area based on soil and climate. State-and-transition models (STMs) coupled to ecological sites specify indicators of ecological resilience and thresholds. Although general concepts surrounding STMs and ecological sites have received increasing attention, strategies to apply and quantify these concepts have not. In this paper, we outline concepts and a practical approach to potential-based land classification and STM development. Quantification emphasizes inventory techniques readily available to natural resource professionals that reveal processes interacting across spatial scales. We recommend a sequence of eight steps for the co-development of ecological sites and STMs, including 1) creation of initial concepts based on literature and workshops; 2) extensive, low-intensity traverses to refine initial concepts and to plan inventory; 3) development of a spatial hierarchy for sampling based on climate, geomorphology , and soils; 4) stratified medium-intensity inventory of plant communities and soils across a broad extent and with large sample sizes; 5) storage of plant and soil data in a single database; 6) model-building and analysis of inventory data to test initial concepts; 7) support and/or refinement of concepts; and 8) high-intensity characterization and monitoring of states. We offer a simple example of how data assembled via our sequence are used to refine ecological site classes and STMs. The linkage of inventory to expert knowledge and site-based mechanistic experiments and monitoring provides a powerful means for specifying management hypotheses and, ultimately, promoting resilience in grassland, shrubland , savanna , and forest ecosystems. La interpretación de la evaluación y el monitoreo de datos, exigen que haya información de cómo las condiciones de referencia y resistencia ecológica varían en espacio y tiempo. Las condiciones de referencia que se usan como puntos de comparación se describen a menudo mediante las clasificaciones de terrenos basándose en su potencial (por ejemplo, sitio ecológico) de comunidades de plantas presentes en un área, en base a suelo y clima. Los Modelos de Estado y Transición (METs) relacionados a sitios ecológicos, son indicadores específicos de los límites de resistencia ecológica. Aunque se ha dado mucha atención a los conceptos generales que rodean los METs y los sitios ecológicos, no ha sido así con las estrategias para aplicar y calificar esos conceptos. En este trabajo, damos una idea general de los conceptos y un enfoque práctico para la clasificación de terrenos en base a su potencial, así como para el desarrollo de METs. La calificación enfatiza técnicas de inventario fácilmente accesibles a los profesionales en recursos naturales presentando un proceso de interacción a través de escalas espaciales. Nosotros recomendamos una secuencia de ocho pasos para el desarrollo de sitios ecológicos y METs, como son: 1) creación de conceptos iniciales basados en literatura y talleres; 2) extensivos viajes de reconocimiento para el refinamiento de los conceptos iniciales y planear el inventario; 3) desarrollo de una escala espacial para muestreo, basándose en clima, forma del terreno, y suelos; 4) estratificación de inventario de media intensidad de las comunidades de plantas y suelos a través de una gran cantidad de muestras de tamaño grande; 5) almacenamiento de datos de plantas y suelos en una sola base de datos; 6) construcción del modelo y análisis de los datos inventariados para evaluar los conceptos iníciales; 7) apoyo y/o refinamiento de conceptos; y 8) intensa caracterización y monitoreo de las situaciones. Ofrecemos, además, un ejemplo sencillo de cómo colectar los datos, mediante el uso de nuestra secuencia para refinar la clase de sitio ecológico y los METs. El enlace del inventario con el conocimiento experto y la mecánica de experimentos y monitoreo basados en el potencial de sitio, proporciona un medio efectivo para especificar hipótesis de manejo y finalmente para promover la recuperación de pastizales, matorrales, sabanas, y ecosistemas forestales.