Nature Index for Norway 2015. Ecological framework, computational methods, database and information systems

Abstract

Pedersen, B., Nybø, S., Sæther, S. A. (eds.) 2016. Nature Index for Norway 2015. Ecological framework, computational methods, database and information systems – NINA Report 1226. 84 pp. The Nature Index is a framework for condensed reporting of the state of nature. The composite index synthesizes and communicates knowledge about states and trends in nature to policymakers and the public, who have an intuitive rather than scientific understanding of concepts such as biodiversity and the state of nature.

The Nature Index does this by summarizing measurements and assessments made by experts of the state of indicators, which, together, represent biodiversity. The current (2015) version focuses on species as indicators, because these also partly reflect genetic diversity and the state of ecosystems. However, the Nature Index framework also facilitates the construction of an index that use the state of habitats as indicators. To meet the objectives, the set of indica-tors should ideally be a representative sample reflecting taxonomic / genetic variation, ecological functions (trophic levels), human pressures, ecosystems, habitats and phases in natural ecological successions. The indicator set should not include alien species.

The Nature Index is calculated for a major ecosystem in a delimited geographical area and a given year. The major ecosystems included in the current version are: ocean bottom, ocean pelagic, coast bottom, coast pelagic, open lowland, mires and wetland, freshwater, forest, and mountain. The index does not account for changes in the areal extent of major ecosystems.

Mathematically, the Nature Index is a weighted average of scaled indicators. Fifty per cent of the weightings per spatial unit are assigned to key or extra-representative indicators. The criteria for selecting an indicator as an extra-representative indicator are that the indicator has significance for populations of one hundred or more species, that it occurs over a large area, and that there are good data for it. The other indicators are weighted so that trophic groups contribute equally per spatial unit to the Nature Index value.

Non-linear scaling functions are used to transform indicators measured on different scales to a common one, before taking the average. The common scale ranges from zero to one. The scaling functions have only one parameter, which defines a base line called the reference value. Reference values serve two aims; first, they act as scaling factors that determine which values of the various indicators correspond to the same state, and second, they set limits for how much an increase in one indicator may compensate for a decrease in another when combined in a composite index.

The Nature Index framework includes a common conceptual basis for setting reference values for indicators belonging to the same major ecosystem, the so-called reference state. For “natural” major ecosystems (i.e. all major ecosystems except open lowland), reference values are estimated relative to a common reference state that represents intact ecosystems with little or no human impact. A little impacted state means that species richness, the state of the various populations, and the system’s ecological functions are intact. The corresponding reference state for semi-natural systems (i.e. open lowland) is defined as a system that is “in good condition” relative to the species diversity normally associated with the type of semi-natural habitat in question (resulting from the application of traditional practices for a long time). The current report further elaborates and specifies reference states for each of the nine major ecosys-tems. This approach to setting reference values together with the shapes of scaling functions means that scaled indicators measure the indicators’ negative deviance from the reference state, and that the Nature Index and thematic indices are averages of such deviations. The difference between the index value and the reference state value (=1) may be interpreted as the total negative effect on biodiversity resulting from human activity. Simulations based on real and artificial data suggest that the Nature Index is robust to adjustments in the reference concept. Such adjustments will not result in significantly different descriptions of the state of Norwegian nature than those given by the Nature Index today. Experts provide the estimates (observations) of indicator values. These observations are associated with measurement error. When estimating the Nature Index, each observation is modelled as a statistical distribution. The dispersion (measured as the interquartile range) measures the uncertainty of the observations and the location along the number line (the expected value) represent the observations’ magnitude. The corresponding sampling distribution for the Nature Index is simulated using Monte Carlo methods. The median in this simulated distribution provides an estimate of the index.

The data behind the Nature Index for Norway comprise 301 indicators for the nine major eco-systems. The Norwegian Institute for Agricultural and Environmental Research (Bioforsk), In-stitute of Marine Research (IMR), Norwegian Institute for Nature Research (NINA), Norwegian Forest and Landscape Institute, Norwegian Institute for Water Research (NIVA), and NTNU University Museum provide data. The state of each major ecosystem is described using between 29 and 37 indicators, with the exception of the forest major ecosystem, which is characterized by 87 indicators. The data comprise monitoring data, modelbased estimates of state and estimates based on expert assessments. Expert assessments are subjective judgements based on data and information that are not collected systematically as in a designed monitoring programme. Expert assessments constitute 46% of the available data for calculating the Na-ture Index for Norway, model-based estimates 19%, and estimates from monitoring programmes constitute 35%.

We have developed a web-based information system for recording, storage and presentation of data used for calculating the Nature Index and the results from the calculations. The system consists of an SQL relational database for storing indicator observations and other data as well as results from index calculations done in R. It further includes a web interface for entering data to the database where the individual expert can update information for the indicators they are responsible for, and a set of R scripts that calculate the Nature Index and analyse raw data and results. In addition, a web portal (www.naturindeks.no) has been constructed to present results and information to the public.

Naturindeksens formål er å gi en kortfattet beskrivelse av naturens tilstand. Den sammenfatter og formidler tilgjengelig kunnskap om naturens tilstand og utvikling til beslutningstakere og allmennheten, som har en intuitiv snarere enn en vitenskapelig forståelse av begrepene biolo-gisk mangfold og naturens tilstand. Naturindeksen gjør dette med utgangspunkt i et utvalg av indikatorer, som til sammen representerer det biologiske mangfoldet. I dagens implementering av naturindeksen, velger man å legge vekt på arter som indikatorer, fordi disse også til en viss grad gjenspeiler genetisk mangfold og økosystemenes tilstand. Rammeverket for naturindek-sen legger også til rette for etableringen av en indeks som måler tilstanden til naturtyper. For å oppfylle formålet, bør utvalget av indikatorer ideelt representere taksonomi eller genetisk va-riasjon, økologiske funksjoner (trofiske nivåer), menneskelig påvirkning, økosystemer, habita-ter og faser i naturlige økologiske suksesjoner så homogent som mulig. Indikatorutvalget bør ikke inneholde fremmede arter.

Naturindeksen beregnes for et hoved-økosystem i et avgrenset geografisk område og for et gitt år. Hoved-økosystemene som inngår i analysene er hav bunn, hav pelagisk, kyst bunn, kyst pelagisk, åpent lavland, våtmark, ferskvann, skog og fjell. Indeksen reflekterer imidlertid ikke endringer i arealmessig utbredelse av de terrestriske hoved-økosystemene.

Naturindeksen er et veid middel av skalerte indikatorer. Femti prosent av vektene per geogra-fiske enhet tilordnes nøkkelelementer. Kriteriene for at en indikator er et nøkkelelement, er at den skal ha utsagnskraft om bestander til mange arter, den skal forekomme i et større område og den skal være dokumentert med gode data. De andre indikatorene veies slik at trofiske grupper bidrar likt per geografiske enhet til naturindeksverdien.

Indikatorene skaleres til en felles skala ved hjelp av ikke-lineære skaleringsfunksjoner. Ska-laen går fra 0 til 1. Skaleringsfunksjonene har bare en parameter som kalles referanseverdi. Referanseverdiene definerer skaleringskonstanter for hver indikator som avgjør hvilke verdier for de ulike indikatorene som representerer samme tilstand. Referanseverdien setter i tillegg en grense for hvor mye en forbedring i en indikator som i utgangspunktet er i en god tilstand, kan kompensere for negativ utvikling i andre indikatorer.

Referanseverdier for enkeltindikatorer fastsettes med utgangspunkt i en referansetilstand som defineres for et helt hoved-økosystem, dvs. en tilstand som i teorien skal kunne være oppnåelig for alle indikatorer samtidig. For naturlige økosystemer (omfatter alle hoved-økosystemene bortsett fra åpent lavland), fastsettes indikatorenes referanseverdier ut fra økosystemer der påvirkningen fra menneskelig aktivitet er, eller har vært, så begrenset at den har minimal påvirkning på det biologiske mangfoldet. Artssammensetningen, de ulike popula-sjonenes størrelse og tilstand og de økologiske funksjoner er intakte, dvs. ikke vesentlig på-virket av menneskelig aktivitet. Referansetilstanden for semi-naturlig mark (hoved-økosystemet åpent lavland) defineres som et system i «god hevd» relativt til artsmangfoldet en tradisjonelt forbinder med den aktuelle naturtypen og som har blitt formet gjennom den tradisjonelle hevden over lang tid. I denne rapporten utdypes referansekonseptet videre med hensyn til blant annet klimatiske forutsetninger, potensiell artssammensetning og naturlig fore-kommende suksesjoner, og konseptet presiseres for det enkelte hoved-økosystem. Forskjel-len mellom naturindeksens verdi og referanseverdien (=1) kan ses på som et mål på den sam-lede belastningen fra all den menneskeskapte aktiviteten som har negativ innvirkning på det biologiske mangfoldet. Simuleringsstudier basert på reelle og konstruerte datasett tilsier at naturindeksen er robust overfor justeringer av referansekonseptet, og at slike justeringer ikke vil gi vesentlig forskjellige beskrivelser av tilstanden i norsk natur enn de naturindeksen gir i dag. Indikatorverdiene er forbundet med usikkerhet. Verdiene blir derfor i naturindeks-sammenheng angitt som sannsynlighetsfordelinger der fordelingens spredning representerer denne usikkerheten, mens fordelingens plassering på tallinja representerer indikatorverdiens størrelse. Den tilsvarende fordelinga til naturindeksen simuleres ved hjelp av Monte Carlo si-muleringsmetoder. Vanligvis oppgis medianen i den simulerte fordelingen som et punktestimat for naturindeksen. Datagrunnlaget bak naturindeks for Norge omfatter 301 ulike indikatorer fordelt på de ni ho-ved-økosystemene. Forskningsinstitusjonene Bioforsk, Havforskningsinstituttet, Norsk institutt for naturforskning (NINA), Norsk institutt for skog og landskap, Norsk institutt for vannforsk-ning (NIVA) og NTNU Vitenskapsmuseet bidrar med grunnlagsdata. Tilstanden for hoved-økosystemet skog beskrives ved hjelp av 87 indikatorer. For de andre hoved-økosystemene utgjøres datagrunnlaget av mellom 29 og 37 indikatorer. Datagrunnlaget omfatter overvåk-ningsdata, modellbaserte estimat av tilstand og estimater basert på ekspertvurderinger. Eks-pertvurderinger er subjektive vurderinger basert på data og informasjon som ikke er samlet inn etter en helhetlig design eller på en systematisk måte slik som i et overvåkningsprogram. Ekspertvurderinger utgjør 46% av det totale datagrunnlaget for beregning av naturindeks for Norge, modellbasert estimat utgjør 19% og overvåkingsdata 35%.

For flere hoved-økosystem er den geografiske dekningen av indikatorene ujevn. Dataene har en gjennomgående lav romlig oppløsning. En gjennomgang av datagrunnlaget viser at det er behov for mye, ytterligere informasjon om naturens tilstand før en oppnår en jevn geografisk representasjon innenfor alle hoved-økosystemene, og med en tilstrekkelig geografisk oppløs-ning som tillater kommunevise sammenfatninger av tilstand. Det anbefales derfor ikke å be-regne naturindeks med en finere geografisk oppløsning enn landsdeler. Det er tilsvarende et behov for å inkludere ytterligere indikatorer i datagrunnlaget før kriteriene for et balansert ut-valg av indikatorer er oppfylt. Videre viser gjennomgangen av datagrunnlaget at det er stor spredning i indikatorenes tilstander innenfor de fleste hoved-økosystemene. Så selv om det er variasjon mellom naturindeksen beregnet for de ulike systemene, så er det innenfor hvert enkelt hoved-økosystem både indikatorer som er i en god til svært god tilstand, og indikatorer som er i en dårlig til svært dårlig tilstand. I forbindelse med gjennomgangen av dataene har en imidlertid ikke funnet opplagte forhold som tilsier at de er misvisende mht. det biologiske mangfoldets tilstand.

Det er utviklet et internettbasert informasjonssystem for innlesing, lagring og presentasjon av de data som benyttes som grunnlag for beregning av naturindeksen. Systemet består av en SQL relasjonsdatabase for lagring av indikatorobservasjoner og andre grunnlagsdata for be-regning og presentasjon av naturindeksen, samt resultater fra naturindeksberegninger gjort i R. Videre inngår et nettsted for innlesing av data til basen hvor den enkelte ekspert kan opp-datere opplysningene for de indikatorer vedkommende er ansvarlig for, og ett sett av rutiner for å beregne naturindeks og analysere grunnlagsdata og resultater. I tillegg er det utviklet en webportal for presentasjon av resultatene og informasjon om bakgrunnsdata (www.naturindeks.no).