Dynamics of posidonia oceanica meadows

Abstract

[cat] Aquesta tesi conté l’estudi de la dinàmica de patrons de vegetació a les praderes de Posidonia oceanica. El primer capítol presenta diferents casos de formació de patrons de vegetació a diferents ecosistemes, les metodologies emprades per l’estudi d’aquests patrons i els treballs sobre Posidonia oceanica directament relacionats amb el creixement de les praderes. El segon capítoll, es basa en el coneixement previ sobre plantes clonals per desenvolupar un model continu que descriu l’evolució de la pradera. A continuació es mostra que el mecanisme necessari per a la formació de patrons de vegetació és la competició a llargues distàncies. A més el model és capaç de reproduir les característiques principals de les praderes a mesura que ens aproximem a la costa. La darrera part del capítol intenta clarificar el paper que té la dependència del model amb la direcció de creixement en la dinàmica espacial. Essencialment s’arriba a la conclusió que la densitat en diferents direccions tendeix a homogeneïtzar-se amb el temps, de tal manera que només als límits de la pradera hi ha més plantes creixent cap a l’exterior de la pradera que cap a l’interior. El tercer capítol presenta la derivació d’una equació simplificada sense dependència en la direcció de creixement a partir del model original reduint substancialment la dificultat del problema. Seguidament s’analitzen les aproximacions realitzades i la validesa de l’equació derivada. El quart capítol està dedicat a una anàlisi més detallat d’una equació intermèdia de la derivació del capítol previ que proporciona resultats quantitativament similars al model original. La darrera part es centra en l’estudi de la propagació de fronts de vegetació en la versió unidimensional del model. Finalment el darrer capítol pretén determinar si la presència de sulfur d’hidrogen en el sediment, resultat de la difusió de matèria orgànica més tard descomposta, és un mecanisme vàlid que explica la formació de patrons. Es conclou que aquest mecanisme és compatible amb la formació de patrons i a més preveu que la pradera homogènia és susceptible a desestabilitzar i desenvolupar oscil•lacions temporals les quals són l’origen de nous règims dinàmics encara per explorar.

[spa] En esta tesis se desarrolla el estudio de la dinámica de los patrones de vegetación en las praderas de Posidonia oceanica. El primer capítulo presenta diferentes casos de formación de patrones de vegetación en diferentes ecosistemas, las metodologías utilizadas para el estudio de dichos patrones y de forma más concreta se presentan los trabajos sobre Posidonia oceanica relevantes para el crecimiento de la pradera. El segundo capítulo, se basa en el conocimiento previo sobre plantas clonales para desarrollar un modelo continuo que describe la evolución del crecimiento de la pradera. En este se muestra que el mecanismo necesario para la formación de patrones es la competición de largo alcance. Además, el modelo reproduce las características principales de las praderas a medida que nos acercamos a la costa. En la última parte del capítulo estudiamos la relevancia que tiene la dependencia con el ángulo de crecimiento para la dinámica espacial. Se concluye que la densidad de ápices creciendo en diferentes direcciones tiende a homogeneizarse con el tiempo, de tal forma que solo en los bordes de la pradera hay más plantas creciendo hacia fuera que hacia dentro de la misma. El tercer capítulo presenta la derivación de una ecuación sin dependencia angular a partir del modelo original reduciendo sustancialmente la dificultad del problema. Seguidamente se analizan las aproximaciones y la validez de las ecuaciones derivadas. En el capítulo cuatro se analiza con más detalle una ecuación intermedia de la derivación del capítulo anterior, la cual proporciona resultados cuantitativamente similares al modelo original. La última parte del capítulo se centra en el estudio de frentes de vegetación en la versión unidimensional del modelo. Finalmente, en el último capítulo se intenta determinar si la presencia de sulfuro de hidrógeno en el sedimento, resultado de la difusión de materia orgánica más tarde descompuesta, es un mecanismo válido para explicar la formación de patrones. Concluimos que este mecanismo puede generar patrones de vegetación pero además el modelo predice que la vegetación homogénea es susceptible a desarrollar oscilaciones temporales, dando lugar a nuevos regímenes dinámicos que explorar.

[eng] In this thesis we study the dynamics of vegetation patterns in Posidonia oceanica meadows. The first introductory chapter presents a review of vegetation patterns in different ecosystems, the methodologies used in the literature to study each case, and the previous works of Posidonia oceanica with implications in the description of the meadows growth. In the second chapter of the thesis, based on previous knowledge of clonal-growth plants, we develop a coarse grained model that describes the evolution of the meadows. We show that long-range competition is the mechanism responsible for the formation of patterns and we are able to infer the interaction distance. The model allows to reproduce the spatial features of vegetation approaching to the coast, where mortality increases. Additionally we study the relevance of the dependence on the angle of the model in the spatiotemporal dynamics. We conclude that the density of apices in different directions of growth homogenizes with time, only being enhanced those particular directions growing at the front facing outwards the meadow. The third chapter presents a systematic derivation of a simplified equation from the original model, reducing substantially the difficulty of the problem. We discuss the different approximations made and the validity of the equations derived. The fourth chapter focuses on an intermediate equation obtained from the derivation, that provides quantitative agreement with the original model. We study in detail its bifurcation diagram characterizing different patterns and localized structures. In the last part of this chapter we study the dynamics of vegetation fronts in the simplest one dimensional case. The last chapter tries to determine if the presence of hydrogen sulfide in the sediment, result of the spreading of organic matter due to water movement that later decomposes, is a valid long-range competition mechanism able to explain the formation of patterns. We conclude that patterns form as a result of this interaction. Furthermore, the model predicts an oscillatory instability of the homogeneous solution which creates very rich phase diagram with different dynamical behaviors still to explore.