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- All Subjects: Stream Ecology
- All Subjects: Resilience (Ecology)
- Creators: Grimm, Nancy
- Status: Published
Humans have dramatically increased phosphorus (P) availability in terrestrial and aquatic ecosystems. As P is often a limiting nutrient of primary production, changes in its availability can have dramatic effects on ecosystem processes. I examined the effects of calcium carbonate (CaCO3) deposition, which can lower P concentrations via coprecipitation of phosphate, on P availability in two systems: streams in the Huachuca Mountains, Arizona, and a stream, Río Mesquites, in Cuatro Ciénegas, México. Calcium carbonate forms as travertine in the former and within the microbialites of the latter. Despite these differences, CaCO3 deposition led to lowered P availability in both systems. By analyzing a three-year dataset of water chemistry from the Huachuca Mountain streams, I determined that P concentrations were negatively related to CaCO3 deposition rates. I also discovered that CaCO3 was positively correlated with nitrogen concentrations, suggesting that the stoichiometric effect of CaCO3 deposition on nutrient availability is due not only to coprecipitation of phosphate, but also to P-related constraints on biotic nitrogen uptake. Building from these observations, bioassays of nutrient limitation of periphyton growth suggest that P limitation is more prevalent in streams with active CaCO3 deposition than those without. Furthermore, when I experimentally reduced rates of CaCO3 deposition within one of the streams by partial light-exclusion, areal P uptake lengths decreased, periphyton P content and growth increased, and periphyton nutrient limitation by P decreased. In Río Mesquites, CaCO3 deposition was also associated with P limitation of microbial growth. There, I investigated the consequences of reductions in CaCO3 deposition with several methods. Calcium removal led to increased concentrations of P in the microbial biomass while light reductions decreased microbial biomass and chemical inhibition had no effect. These results suggest that CaCO3 deposition in microbialites does limit biological uptake of P, that photoautotrophs play an important role in nutrient acquisition, and, combined with other experimental observations, that sulfate reduction may support CaCO3 deposition in the microbialite communities of Río Mesquites. Overall, my results suggest that the effects of CaCO3 deposition on P availability are general and this process should be considered when managing nutrient flows across aquatic ecosystems.
An understanding of the formation of spatial heterogeneity is important because spatial heterogeneity leads to functional consequences at the ecosystem scale; however, such an understanding is still limited. Particularly, research simultaneously considering both external variables and internal feedbacks (self-organization) is rare, partly because these two drivers are addressed under different methodological frameworks. In this dissertation, I show the prevalence of internal feedbacks and their interaction with heterogeneity in the preexisting template to form spatial pattern. I use a variety of techniques to account for both the top-down template effect and bottom-up self-organization. Spatial patterns of nutrients in stream surface water are influenced by the self-organized patch configuration originating from the internal feedbacks between nutrient concentration, biological patchiness, and the geomorphic template. Clumps of in-stream macrophyte are shaped by the spatial gradient of water permanence and local self-organization. Additionally, significant biological interactions among plant species also influence macrophyte distribution. The relative contributions of these drivers change in time, responding to the larger external environments or internal processes of ecosystem development. Hydrologic regime alters the effect of geomorphic template and self-organization on in-stream macrophyte distribution. The relative importance of niche vs. neutral processes in shaping biodiversity pattern is a function of hydrology: neutral processes are more important in either very high or very low discharge periods. For the spatial pattern of nutrients, as the ecosystem moves toward late succession and nitrogen becomes more limiting, the effect of self-organization intensifies. Changes in relative importance of different drivers directly affect ecosystem macroscopic properties, such as ecosystem resilience. Stronger internal feedbacks in average to wetter years are shown to increase ecosystem resistance to elevated external stress, and make the backward shifts (vegetation loss) much more gradual. But it causes increases in ecosystem hysteresis effect. Finally, I address the question whether functional consequences of spatial heterogeneity feed back to influence the processes from which spatial heterogeneity emerged through a conceptual review. Such feedbacks are not likely. Self-organized spatial patterning is a result of regular biological processes of organisms. Individual organisms do not benefit from such order. It is order for free, and for nothing.
En la zona metropolitana de Phoenix, el calor urbano está afectando la salud, la seguridad y la economía y se espera que estos impactos empeoren con el tiempo. Se prevé que el número de días por encima de 110˚F aumentará más del doble para el 2060. En mayo de 2017, The Nature Conservancy, el Departamento de Salud Pública del condado de Maricopa, Central Arizona Conservation Alliance, la Red de Investigación en Sostenibilidad sobre la Resiliencia Urbana a Eventos Extremos, el Centro de Investigación del Clima Urbano de Arizona State University y el Center for Whole Communities lanzaron un proceso participativo de planificación de acciones contra el calor para identificar tanto estrategias de mitigación como de adaptación a fin de reducir directamente el calor y mejorar la capacidad de los residentes para lidiar con el calor. Las organizaciones comunitarias con relaciones existentes en tres vecindarios seleccionados para la planificación de acciones contra el calor se unieron más tarde al equipo del proyecto: Phoenix Revitalization Corporation, RAILMesa y Puente Movement. Más allá de construir un plan de acción comunitario contra el calor y completar proyectos de demostración, este proceso participativo fue diseñado para desarrollar conciencia, iniciativa y cohesión social en las comunidades subrepresentadas. Asimismo el proceso de planificación de acciones contra el calor fue diseñado para servir como modelo para esfuerzos futuros de resiliencia al calor y crear una visión local, contextual y culturalmente apropiada de un futuro más seguro y saludable. El método iterativo de planificación y participación utilizado por el equipo del proyecto fortaleció las relaciones dentro y entre los vecindarios, las organizaciones comunitarias, los responsables de la toma de decisiones y el equipo núcleo, y combinó la sabiduría de la narración de historias y la evidencia científica para comprender mejor los desafíos actuales y futuros que enfrentan los residentes durante eventos de calor extremo. Como resultado de tres talleres en cada comunidad, los residentes presentaron ideas que quieren ver implementadas para aumentar su comodidad y seguridad térmica durante los días de calor extremo.
Como se muestra a continuación, las ideas de los residentes se interceptaron en torno a conceptos similares, pero las soluciones específicas variaron entre los vecindarios. Por ejemplo, a todos los vecindarios les gustaría agregar sombra a sus corredores peatonales, pero variaron las preferencias para la ubicación de las mejoras para dar sombra. Algunos vecindarios priorizaron las rutas de transporte público, otros priorizaron las rutas utilizadas por los niños en su camino a la escuela y otros quieren paradas de descanso con sombra en lugares clave. Surgieron cuatro temas estratégicos generales en los tres vecindarios: promover y educar; mejorar la comodidad/capacidad de afrontamiento; mejorar la seguridad; fortalecer la capacidad. Estos temas señalan que existen serios desafíos de seguridad contra el calor en la vida diaria de los residentes y que la comunidad, los negocios y los sectores responsables de la toma de decisión deben abordar esos desafíos.
Los elementos del plan de acción contra el calor están diseñados para incorporarse a otros esfuerzos para aliviar el calor, crear ciudades resilientes al clima y brindar salud y seguridad pública. Los socios de implementación del plan de acción contra el calor provienen de la región de la zona metropolitana de Phoenix, y se brindan recomendaciones para apoyar la transformación a una ciudad más fresca.
Para ampliar la escala de este enfoque, los miembros del equipo del proyecto recomiendan a) compromiso continuo e inversiones en estos vecindarios para implementar el cambio señalado como vital por los residentes, b) repetir el proceso de planificación de acción contra el calor con líderes comunitarios en otros vecindarios, y c) trabajar con las ciudades, los planificadores urbanos y otras partes interesadas para institucionalizar este proceso, apoyando las políticas y el uso de las métricas propuestas para crear comunidades más frescas.