Nature Index. General framework, statistical method and data collection for Norway

Abstract

Certain, G. and Skarpaas, O. 2010. Nature Index: General framework, statistical method and data collection for Norway – NINA Report 542. 47 pp. The Nature Index for Norway has been developed to be an aggregated measure of biodiversity in Norway, reflecting the state of terrestrial and marine ecosystems and providing comprehensive information to environmental managers and to the public in a simplified and understandable way. It consists of a set of 310 biodiversity indicators that encompass important aspects of natural biodiversity. The present report is a general description of the Nature Index framework. It summarises the basic concepts and definitions used, and displays the associated mathematical developments. The report builds on and extends previous pilot studies on concepts and practical implementation (NINA Reports 347, 425 and 426). The final results of the Nature Index will be presented elsewhere (Nybø (ed.) 2010a,b); here we present the data collection process and an analysis of the indicator set collected so far in order to provide information on the ecological significance and on the inferences that can be expected. Data on indicators were collected from experts who provided estimates of the indicator values at several points in time using expert judgement, monitoring data or models. Experts also provided an estimate of uncertainty with each data point in the form of quartiles, and they were asked to indicate where insufficient information was available to provide an estimate of the indicator value. To combine the indicators to produce an index, the indicators are scaled by a reference value, i.e. their value in a reference state. This serves two purposes: First, the reference state, for each indicator, is supposed to reflect an ecologically sustainable state for the indicator, and the scaled value measures the departure from this state. Second, because the scaled values are all dimensionless numbers between 0 and 1, they can be averaged across, for instance, municipality, major habitat, or taxonomic group. Thus the use of a reference value facilitates a flexible combination of indicators expressed in different measurement units, such as abundance or species richness. Plain averaging of scaled indicators implies a “complete equivalence” assumption, i.e. that no municipality, no major habitat, and no indicator is more important than another. This assumption is not always true. Moreover, despite efforts to balance the indicator set, the indicators are not homogeneously distributed among taxonomic groups, pressures, major habitats etc. In the specific case of Norway, we decided, with the support of the Ecological Reference group for the Nature Index, to apply weighting mainly to deal with heterogeneities within the indicator set. Weights were applied across two axes of the Nature Index: across the spatial axis, so that the index remains area-representative, and across the indicator axis, to solve issues concerning the ecological significance of the index. Equivalence was maintained between major habitats because this ensures that the nature index will be maximised with beta (regional) diversity as well as alpha (local) diversity: complete loss of a major habitat implies a decrease in beta diversity, and this will always result in a decrease of the index under equivalence between major habitats. biodiversity, indicators, Norway, biologisk mangfold, indikatorer, Norge

Certain, G. and Skarpaas, O. 2010. Nature Index: General framework, statistical method and data collection for Norway – NINA Rapport 542. 47 s. Naturindeksen er et sammensatt mål for biologisk mangfold i Norge som gjenspeiler tilstanden i terrestre og marine natursystemer og formidler denne omfattende informasjonen til miljøforvaltningen og allmenheten på en forenklet og forståelig måte. Den består av 310 indikatorer som dekker viktige aspekter ved biologisk mangfold. Denne rapporten gir en generell beskrivelse av rammeverket for Naturindeksen. Den gjennomgår grunnleggende begreper og definisjoner, og tilhørende matematiske formuleringer. Rapporten bygger videre på tidligere forslag til rammeverk og pilotstudier (NINA Rapport 347, 425 og 426). Hovedresultatene for naturindeksen presenteres i to kommende DN-utredninger (Nybø (ed.) 2010a,b); her presenterer vi metoder for datainnsamling og en analyse av indikatorsettet for å informere om den økologiske betydningen av naturindeksen og slutningene man kan forvente å gjøre på grunnlag av denne. Data om indikatorene ble samlet inn fra eksperter som ga estimater av indikatorverdier på flere tidspunkter på grunnlag av ekspertvurderinger, overvåkingsdata eller modeller. Ekspertene ga også et estimat av usikkerheten til hver verdi i form av kvartiler, og de ble bedt om å angi i hvilke tilfeller grunnlaget var for svakt til å gi estimater. For å kunne kombinere indikatorene til en indeks, ble hver enkelt indikator skalert med en referanseverdi, dvs. verdien av indikatoren i en referansetilstand. Dette tjener to formål: For det første reflekterer referansetilstanden en økologisk bærekraftig tilstand for indikatoren, og den skalerte verdien måler avvik fra denne tilstanden. For det andre kan de skalerte verdiene, som alle er enhetsløse verdier mellom null og en, benyttes til å beregne gjennomsnitt på tvers av for eksempel kommuner, hovedgrupper av natursystemer og taksonomiske grupper. Bruken av en referanse muliggjør dermed fleksible kombinasjoner av indikatorer med ulike måleenheter som bestandsstørrelse eller artsrikdom. Rene gjennomsnitt av skalerte indikatorverdier kan beregnes under en antagelse om ”fullstendig ekvivalens”, dvs. at ingen kommune, ingen natursystemer og ingen indikatorer er viktigere enn andre. Dette vil ikke alltid være tilfelle. Indikatorene er heller ikke jevnt fordelt mellom taksonomiske grupper, påvirkninger, etc., på tross av forsøk på å balansere indikatorsettet. I implementeringen for Norge har vi derfor valgt, med støtte fra Faggruppen for Naturindeksen, å tilordne vekter langs to akser: den geografiske aksen, slik at indeksen blir arealrepresentativ, og indikatoraksen, for å løse problemer med økologisk representativitet. Mellom hovedgrupper av natursystemer antar vi fullstendig ekvivalens, fordi dette sikrer at Naturindeksen maksimeres med betadiversitet (regional diversitet), i tillegg til alfadiversitet (lokal diversitet): tap av et natursystem medfører reduksjon i betadiversitet, og dette medfører alltid en reduksjon i indeksen under antagelsen om fullstendig ekvivalens. I Naturindeksen brukes datausikkerhet og manglende data aktivt på flere måter: Informasjon om kilder til indikatorestimater (ekspertvurdering, data, modeller), usikkerheten i estimatene og tilfeller med fullstendig mangel på kunnskap, kan brukes til å målrette framtidig forskning og utredning. Usikkerhet i indikatorestimater aggregeres til indeksnivå ved hjelp av Monte Carlometoder: simulering av fordelingene tilpasset gjennomsnitt og kvartiler til hver enkelt indikator. Naturindeksen kan fange opp og sammenstille informasjon fra ulike økologiske fagfelt, både terrestre og marine, og avlevere to hovedtyper av informasjon: tilstanden til natursystemer, gitt dagens kunnskap, og områder med manglende kunnskap kan begge tydeliggjøres og gi innspill til forvaltning og forskning. Informasjonen i naturindeksen kan aggregeres eller splittes opp langs flere akser, slik som geografiske enheter, økologiske enheter eller forvaltningstema. Dette gir Naturindeksen et stort potensial som forvaltningsverktøy og katalysator for økologisk forskning og utredning i Norge, og for internasjonal anvendelse.