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Transient dynamics pose unique challenges when dealing with predictions and management of ecological systems yet little headway has been made on understanding when an ecological system might be in a transient state. As a start we consider a specific model, here focusing on a canonical model for anaerobic digestion. Through a series of simplifications, we analyse the potential of the model for transient dynamics, and the driving mechanisms. Using a stochastic analogue of this model, we create synthetic ecological data. Thus, combining our understanding of the deterministic transient dynamics with the use of empirical dynamical modelling, we propose several new metrics to indicate when the synthetic time series is leaving a transient state. 

Abstract In restoration ecology, the Field of Dreams hypothesis posits that restoration efforts that create a suitable environment could lead to the eventual recovery of the remaining aspects of the ecosystem through natural processes. Natural processes following partial restoration has led to ecosystem recovery in both terrestrial and aquatic systems. However, understanding the efficacy of a “Field of Dreams” approach requires a comparison of different approaches to partial restoration in terms of spatial, temporal, and ecological scale with what would happen given more comprehensive restoration efforts. We explore the relative effect of partial restoration and ongoing recovery on restoration efficacy with a dynamical model based on temperate rocky reefs in Northern California. We analyze our model for both the ability and rate of bull kelp forest recovery under different restoration strategies. We compare the efficacy of a partial restoration approach with a more comprehensive restoration effort by exploring how kelp recovery likelihood and rate change with varying intensities of urchin removal and kelp outplanting over different time periods and spatial scales. We find that, in the case of bull kelp forests, setting more favorable initial conditions for kelp recovery by implementing both urchin harvesting and kelp outplanting at the start of the restoration project has a bigger impact on the kelp recovery rate than applying restoration efforts through a longer period of time. Therefore, partial restoration efforts, in terms of spatial and temporal scale, can be significantly more effective when applied across multiple ecological scales in terms of both the capacity and rate for achieving the target outcomes. 

Abstract Entender las respuestas de la población a perturbaciones ambientales, específicamente a pulsadas individuales, es esencial para la conservación y la gestión adaptativa. Las poblaciones de interés pueden reducirse a niveles bajas debido a la perturbación, y es necesario entender las diferencias interespecíficas en las trayectorias de recuperación para evaluar las opciones de gestión. Analizamos modelos para especies individuales para investigar los factores demográficos y de gestión que determinan los dos componentes de la ‘resiliencia’ de la población: la magnitud del impacto inicial sobre la abundancia de la población y la duración del tiempo de recuperación. Simulamos poblaciones estructuradas por edad con reclutamiento que depende de la densidad, las sometimos a una perturbación pulsada que consiste en un período de mayor mortalidad del grupo etário juvenil o de todos los grupos etários, y calculamos tanto el impacto como el tiempo de retorno. A modo de ilustración, utilizamos parámetros demográficos de un conjunto de 16 especies de peces. Formulamos el modelo como una ecuación de renovación, lo que nos permite describir matemáticamente los impactos de las perturbaciones como una convolución. También incluimos dinámicas no lineales que representan poblaciones que se recuperan hacia un estado estable; esto es más realista (en la mayoría de los casos) que los análisis previos de resiliencia en modelos lineales sin la dependencia de la densidad. Cuando la perturbación ha afectado a uno o a algunos pocos grupos etários jóvenes, la longevidad fue el principal determinante de la historia de vida del impacto y el tiempo de recuperación. Las especies de vida más corta sufrieron mayores impactos cuando fueron perturbadas porque cada grupo etáreo representa una mayor proporción de la población. Sin embargo, las especies con vidas más cortas también tuvieron tiempos de recuperación más rápidos, por la misma razón. Cuando la perturbación afectó a los grupos etários adultos, el impacto fue más inmediato y ya no se vio afectado por la longevidad de las especies, aunque se mantuvo el efecto de la longevidad sobre el tiempo de recuperación. Estos resultados mejoran nuestra comprensión de las diferencias interespecíficas de la resiliencia y aumentan nuestra capacidad para hacer predicciones con fin a la gestión adaptativa. Además, formular el problema como una ecuación de renovación y usar convoluciones matemáticas nos permite cuantificar cómo las perturbaciones con distintos lapsos de tiempo (no solo un nivel de perturbación constante e inmediato, sino niveles de perturbación que aumentan o disminuyen gradualmente) tendrían diferentes efectos sobre la resiliencia de la población: respuestas tardías para especies en las que la biomasa se concentra en grupos etários de mayor edad y para perturbaciones que se vuelven progresivamente más severas. 

Abstract During their lifetimes, individuals in populations pass through different states, and the notion of an occupancy time describes the amount of time an individual spends in a given set of states. Questions related to this idea were studied in a recent paper by Roth and Caswell for cases where the environmental conditions are constant. However, it is truly important to consider the case where environments are changing randomly or in directional way through time, so the transition probabilities between different states change over time, motivating the use of time-dependent stage-structured models. Using absorbing inhomogenous Markov chains and the discrete-time McKendrick–von Foerster equation, we derive explicit formulas for the occupancy time, its expectation, and its higher-order moments for stage-structured models with time-dependent transition rates. The results provide insights into the dynamics of long lived plant or animal populations where individuals transition in both directions between reproductive and non reproductive stages. We apply our approach to study a specific time-dependent model of the Southern Fulmar, and obtain insights into how the number of breeding attempts depends on external conditions that vary through time.