Fragmentation and reconnection in aquatic metacommunities

Abstract

Η επίδραση του κατακερματισμού και της συνδεσιμότητας στη δομή και τη λειτουργία των οικοσυστημάτων είναι πρωταρχικής σημασίας στη σύγχρονη οικολογική έρευνα και στη διαχείριση υπό το πρίσμα της κλιματικής αλλαγής. Η διερεύνηση αυτή γίνεται στα πλαίσια της θεωρίας των μετακοινοτήτων, που έχει άμεση εφαρμογή στα υδατικά οικοσυστήματα, ιδιαίτερα στην παράκτια ζώνη (π.χ. συστήματα λιμνοθαλασσών) που δέχεται παλμικές εισροές θρεπτικών. Με την αλλαγή της στάθμης του νερού, τα κατατμήματα απομονώνονται και ξαναενώνονται, συνεπώς η δομή και η λειτουργία μιας υδατικής μετακοινότητας δεν εξαρτάται μόνο από τη συνδεσιμότητα των τοπικών κοινοτήτων αλλά και από τη δομή τους κατά την απομόνωση. Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της επίδρασης του κατακερματισμού και της συνδεσιμότητας σε διαφορετικά χαρακτηριστικά των βιοκοινοτήτων -σύνθεση ειδών, ποικιλότητα, παραγωγικότητα- σε υδατικές μετακοινότητες που χαρακτηρίζονται από περιβαλλοντική ετερογένεια, με τη χρήση πειραμάτων και μοντέλων προσομοίωσης. Τα πειράματα περιελάμβαναν μια φυσική συνάθροιση φυτοπλαγκτού που κατακερματίστηκε και αυτό-οργανώθηκε κάτω από διαφορετικές συχνότητες παλμών θρεπτικών για τη μελέτη του ρόλου του κατακερματισμού και της περιβαλλοντικής ετερογένειας στη δομή της κοινότητας. Αυτές οι αυτό-οργανωμένες συναθροίσεις έγιναν τα τοπικά κατατμήματα τα οποία επανασυνδέθηκαν σε διαφορετικά επίπεδα, δημιουργώντας μετακοινότητες, για τη μελέτη του ρόλου της ομογενοποίησης προς τις ενδιάμεσες συνθήκες στον πλούτο ειδών και την παραγωγικότητα. Κατά τον κατακερματισμό, παλμοί θρεπτικών μειούμενης συχνότητα οδήγησαν σε συναθροίσεις αυξανόμενης λειτουργικής ποικιλότητας και πλούτου ειδών. Το μοντέλο έδειξε τη σημασία του ρυθμού αύξησης και της ανταγωνιστικής ικανότητας κατά τη συνάθροιση κάτω από παλμούς θρεπτικών. Αυτές οι συνθήκες οδήγησαν στην κυριαρχία ενός είδους στην ενδιάμεση συχνότητα παλμών, που, κατά την επανασύνδεση, κυριάρχησε σε όλη τη μετακοινότητα. Συνεπώς, ο σημαντικός ρόλος της ομογενοποίησης προς τις ενδιάμεσες συνθήκες που περιγράφεται στην παρούσα μελέτη, συνδέεται άμεσα με τις συνθήκες που δημιούργησαν το απομονωμένο τοπικό κατάτμημα. Η παρούσα διατριβή έδειξε ότι βέλτιστη οικοσυστημική λειτουργία (μέγιστος πλούτος ειδών, λειτουργική ποικιλότητα και παραγωγικότητα) σε ετερογενείς υδατικές μετακοινότητες μπορεί να επιτευχθεί όταν ο χρόνος ανάμεσα στους παλμούς των θρεπτικών ξεπερνά το χρόνο γενεάς των ειδών και σε ενδιάμεσα επίπεδα συνδεσιμότητας των κατατμημάτων.

The impacts of fragmentation and connectivity on ecosystem structure and function are central in current ecological research and management efforts on the effects of environmental change. These issues are studied within the framework of metacommunity ecology, which is directly applicable to coastal aquatic ecosystems (e.g. interconnected lagoons, rock pools) affected by pulsed nutrient inputs. As water levels vary and patches become periodically isolated and reconnected, the structure and function of an aquatic metacommunity doesn’t solely depend on connectivity among local communities but also on their previous state during fragmentation. The present study aims to assess the effect of fragmentation and connectivity on different community attributes -species composition, diversity and productivity- in aquatic metacommunities characterized by environmental heterogeneity, employing both experimental and modeling approaches. Experiments consisted of fragmented natural phytoplankton assemblages that self-organized under different nutrient pulsing frequencies. This part of the experiment, together with numerical modeling, was used to address the role of fragmentation and resource heterogeneity on community structure. These steady-state assemblages represented the local patches that were then connected at a dispersal continuum forming metacommunities, to assess the role of spatial averaging on species richness and productivity. During fragmentation, nutrient pulses of decreasing frequencies resulted in assemblages of increasing functional diversity and richness. Numerical simulations also revealed the importance of both growth rate and competitive ability in assembly processes under pulsed nutrient inflows. Moreover, these environmental conditions led to the dominance of a species at the intermediate pulsing frequency, which, during connectivity, dominated the metacommunity. Therefore, the pivotal role of spatial averaging described in the present study, is directly linked to the conditions that gave rise to the isolated local assemblages. The present thesis addressed questions that have important implications for the management of coastal zone. It revealed that optimal ecosystem function (maximal richness, functional diversity, and productivity) in heterogeneous aquatic metacommunities can be achieved when the interval between resource pulses exceeds the generation times of constituent species, and when patches are connected at intermediate connectivity levels.