Role of macrophyte interactions in seascape pattern formation and ecological resilience

• Autores: Elvira Mayol Alcover
• Directores de la Tesis: Iris Eleine Hendricks (dir. tes.), Núria Marbà Bordalba (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat de les Illes Balears ( España ) en 2025
• Idioma: inglés
• Tribunal Calificador de la Tesis: Eugenia Apostolaki (presid.), Maria de Lluch Calleja Cortes (secret.), Jordi Boada García (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ecología Marina por la Universidad de las Illes Balears
• Menciones:
  • Internacional
• Calificación: Desconocido
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: RepositoriUIB
• Resumen
  • español

    Entender los ecosistemas en un contexto de transiciones criticas es fundamental para la ecología. En esta tesis estudiamos las interacciones ecológicas en las praderas submarinas, las cuales determinan su configuración paisajística, las funciones asociadas i la resiliencia de todo el ecosistema. Nuestra aproximación al paisaje marino se basa en dos propiedades fundamentales: (i) la biodiversidad de los macrófitos que lo forman y, (ii) la fragmentación de la cobertura vegetal.

    En el capítulo 4.1, recopilamos información de praderas submarinas de todo el mundo —coordenadas, condiciones monoespecíficas o mixtes, especies y densidad de haces. Detectamos que la coexistencia interespecífica global es mayor en latitudes tropicales y que las especies que coexisten siguen tres patrones: (i) especies que siempre forman praderas monoespecíficas, (ii) especies que presentan menor densidad de haces en praderas mixtas y (iii) especies con el mismo rango de densidad monoespecífica y mixta. En el experimento del Capítulo 4.2, analizamos el crecimiento vegetal en función del nivel de coexistencia intra- e interespecífica en dos asociaciones de especies: Cymodocea nodosa - Zostera noltii en el Mediterráneo y Cymodocea rotundata - Thalassia hemprichii en el oceano Indo-Pacífico. Observamos una disminución del crecimiento cuando augmenta el nivel de coexistencia. Finalmente, en el Capítulo 4.3, estudiamos mecanismos de coexistencia interespecífica entre C. nodosa y el alga Caulerpa prolifera, entre las cuales suponemos una interacción indirecta mediada por los sulfuros del sedimento, en la bahía de Alfacs del Delta del Ebro (Catalunya). En condiciones de pradera mixta, detectamos mayor acumulación de sulfitos en el sedimento, que no se relaciona con una mayor intrusión de sulfitos en el tejido vegetal. En cambio, en la pradera mixta, detectamos una actividad metabólica mayor de la esperada, que sugiere una reoxidación compensatoria de los sulfitos. También detectamos que C. nodosa penetra la rizosfera a mayor profundidad cuando coexiste con C. prolifera. El conjunto de los tres estudios permite concluir que la competencia es la interacción dominante entre fanerógamas marinas y que, en función de los mecanismos de cada especie y de las condiciones ambientales, determina la coexistencia interespecífica.

    En el Capítulo 4.4, estudiamos la relación entre la fragmentación de una pradera de Posidonia oceanica de la bahía de Pollença (Mallorca), la hidrodinámica y la producción de oxígeno en la pradera. El resultado de esta relación revela un umbral en la fragmentación del prado a partir del cual tanto la fragmentación como la velocidad del agua favorecen la concentración de oxígeno en el agua. Sin embargo, en el amplio rango de fragmentación que encontramos en Pollença, esperamos que la producción de oxígeno esté fuertemente condicionada por la pérdida de cobertura vegetal en las áreas de mayor fragmentación.

    En els Capítols 4.5, 4.6 y 4.7, estudiamos un patrón de elevada fragmentación, al que llamamos anillos de hada, en la pradera de P. oceánica de la bahía de Pollença. Desarrollamos y validamos un modelo mecanicista, basado en la interacción entre el crecimiento vegetal y la dinámica de los sulfuros en el sedimento, que describe la formación del patrón (Capítulo 4.5). En el Capítulo 4.6, describimos empíricamente el régimen espacial de crecimiento de los anillos. Los resultados de este capítulo sugieren un cambio de estado en el ecosistema que se estima que conducirá al colapso de la vegetación. Finalmente, en el Capítulo 4.7, identificamos la estructura genética de los anillos, lo cual nos permite descartar la recolonización del espacio interior de los anillos por parte de nuevos genotipos. El conjunto de los tres estudios permite concluir el proceso de autoorganización en la formación de los anillos de hada y sus implicaciones para la resiliencia del ecosistema.

  • English

    Understanding ecosystems in a context of critical regime shifts is fundamental to ecology. In this thesis we study ecological interactions in seagrass meadows which determine the seascape configuration, the associated functions and ecosystem resilience. We focus on two fundamental properties of the seascape: (i) macrophytes biodiversity and (ii) fragmentation of the vegetation cover in the ecosystem.

    In chapter 4.1, we collect information on seagrass meadows worldwide —coordinates, monospecific or mixed status, species identity and shoot density. We detect that global interspecific coexistence is greater in tropical latitudes and that coexisting species follow three main patterns: (i) species that only form monospecific meadows, (ii) species that exhibit lower shoot density in conditions of mixed meadows, and (iii) species that exhibit the same range of monospecific and mixed shoot density. In the experiment described in Chapter 4.2, we analyze plant growth according to the level of intra- and interspecific coexistence in two species associations: Cymodocea nodosa - Zostera noltii in the Mediterranean and Cymodocea rotundata - Thalassia hemprichii in the Indo-Pacific Ocean. We observe a reduction in growth as levels of coexistence increase. Finally, in Chapter 4.3, we study interspecific coexistence mechanisms between C. nodosa and the macroalga Caulerpa prolifera, for which we assume an indirect interaction mediated by sulfides in the sediment, in Alfacs bay in the Ebro Delta (Catalunya). In mixed conditions, we detect greater sulfide accumulation in the sediment, which isn't associated with greater sulfide intrusion into plant tissues. Conversely, in the mixed meadow, we detect unexpectedly higher metabolic activity which suggests a compensatory reoxidation of sulfides. We also detect that C. nodosa penetrates deeper the rhizosphere when coexisting with C. prolifera. These three studies allow us to conclude that competition is the dominant interaction among seagrass species, interplaying with species-specific mechanisms and the environmental conditions, to shape the interspecific coexistence in the ecosystem.

    In Chapter 4.4, we study the relationship between Posidonia oceanica fragmentation in Pollença bay (Mallorca), hydrodynamics, and community oxygen production. This relationship reveals a threshold beyond which fragmentation and water velocity favor seawater oxygenation. Nonetheless, across the wide range of fragmentation found in Pollença, oxygen production is expected to be strongly constrained by vegetation loss linked to higher fragmentation. In Chapter 4.5, 4.6 and 4.7, we study a highly fragmented pattern, called fairy rings, in P. oceanica in Pollença bay. We develop and validate a mechanistic model, based on the interaction between seagrass clonal growth and sulfide dynamics, which describes the formation of fairy rings. The results of this chapter suggest a regime shifts in the ecosystem, leading to vegetation collapse. Finally, in Chapter 4.7, we identify the genetic structure of fairy rings, which allows us to reject recolonization of the inner ring space by new genotypes. As a whole, the three chapters demonstrate the self-organization process underlying fairy ring formation and its implication for ecosystem resilience.

  • català

    Entendre els ecosistemes en un context de transicions crítiques és fonamental per l'ecologia. En aquesta tesi estudiem les interaccions ecològiques en els prats submarins, que determinen la seva configuració paisatgística, les funcions associades i la resiliència de tot l'ecosistema. La nostra aproximació al paisatge submarí parteix de dues propietats fonamentals: (i) la biodiversitat de macròfits que el formen i, (ii) la fragmentació de la cobertura de l'ecosistema.

    En el Capítol 4.1, recopilem informació de prats submarins d'arreu del món —coordenades, condició monoespecífica o mixta, espècies i densitat de feixos. Detectem que la coexistència interespecífica global és més gran a les latituds tropicals i, que les espècies coexistents segueixen tres patrons: (i) espècies que sempre formen prats monoespecífics, (ii) espècies que presenten menor densitat de feixos en prats mixtes i (iii) espècies amb el mateix rang de densitat en prats monoespecífics i mixtes. En l'experiment del Capítol 4.2, analitzem el creixement vegetal en funció del nivell de coexistència intra- i interespecífica en dues associacions d'espècies: Cymodocea nodosa - Zostera noltii al Mediterrani i Cymodocea rotundata - Thalassia hemprichii a l'oceà Indo-Pacífic. Observem una disminució del creixement a mesura que augmenta el nivell de coexistència. Finalment, en el Capítol 4.3, estudiem mecanismes de coexistència interespecífica entre C. nodosa i l'alga Caulerpa prolifera, entre les quals suposem una interacció indirecta a través dels sulfits del sediment, a la badia d'Alfacs del Delta de l'Ebre (Catalunya). En condicions de coexistència monoespecífica i mixta, observem i relacionem les condicions de sulfur en el sediment i en el teixit vegetal amb el metabolisme de la comunitat bentònica. En condicions de prat mixt, detectem una major acumulació de sulfits en el sediment, que no es relaciona amb una intrusió més gran de sulfits en el teixit vegetal. En canvi, en el prat mixt detectem una activitat metabòlica superior a l'esperada, que suggereix la reoxigenació compensatòria dels sulfits. També detectem que C. nodosa penetra la rizosfera a més profunditat quan coexisteix amb C. prolifera. El conjunt dels tres estudis permet concloure que la competència és la interacció dominant entre fanerògames marines i que, en funció dels mecanismes de cada espècie i de les condicions ambientals, determina la coexistència interespecífica.

    En el Capítol 4.4, estudiem la relació entre la fragmentació d'un prat de Posidonia oceanica a la badia de Pollença (Mallorca), la hidrodinàmica i la producció d'oxigen en el prat. El resultat d'aquesta relació revela un llindar en la fragmentació del prat a partir del qual, tant la fragmentació com la velocitat de l'aigua afavoreixen la concentració d'oxigen en l'aigua. Tot i això, en l'ampli rang de fragmentació que trobem a la badia de Pollença, esperem que la producció d'oxigen estigui fortament determinada per la pèrdua de cobertura vegetal en àrees de fragmentació més elevada.

    En els Capítols 4.5, 4.6 i 4.7, estudiem un patró d'elevada fragmentació, que anomenem anells de fada, en el prat de P. oceanica de la badia de Pollença. Desenvolupem i validem un model mecanicista, basat en la interacció entre el creixement de la planta i la dinàmica del sofre en el sediment, que descriu la formació del patró (Capítol 4.5). En el Capítol 4.6, descrivim empíricament el règim espacial de creixement dels anells. Els resultats d'aquest capítol suggereixen un canvi d'estat en l'ecosistema que s'estima que conduirà al col·lapse de la vegetació. Finalment, en el Capítol 4.7, identifiquem l'estructura genètica dels anells, la qual ens permet descartar la recolonització de l'espai interior dels anells per part de nous genotips. El conjunt dels tres estudis permet concloure el procés d'autoorganització en la formació dels anells de fada i les implicacions que això té per a la resiliència de l'ecosistema.