{"refrec":{"BRefID":294032,"RR":"<b>Cornacchia, L.</b> (2018). Emergent properties of bio-physical self-organization in streams. PhD Thesis. NIOZ: [s.l.]. ISBN 978-94-034-0347-2. 197 pp. <a href=\"https://hdl.handle.net/11370/612799da-932a-451e-aebb-ad676e974095\" target=\"_blank\">https://hdl.handle.net/11370/612799da-932a-451e-aebb-ad676e974095</a>","BEntID":286096,"PublicFlag":1,"CheckedFlag":0,"wosflag":null,"vabbflag":null,"RefStringPartII":". PhD Thesis. NIOZ: [s.l.]. ISBN 978-94-034-0347-2. 197 pp. <a href=\"https://hdl.handle.net/11370/612799da-932a-451e-aebb-ad676e974095\" target=\"_blank\">https://hdl.handle.net/11370/612799da-932a-451e-aebb-ad676e974095</a>","DocTypID":5,"DocType":"Book/Monograph","MarineFlag":0,"FreshFlag":0,"BrackishFlag":0,"TerrestrialFlag":0,"Authorstring":"Cornacchia, L.","OrigTitleTranslFlag":0,"Authorstringtrunc":"Cornacchia, L.","Englishabstract":"Self-organization is increasingly recognized as an important regulating process inseveral ecosystem types. Many studies of self-organization in biology have focusedon the emergent effects of self-organized spatial patterns on biological properties,such as enhanced productivity or resilience to disturbances. Despite its prevalencein biological theory, self-organization is not yet considered extensively ingeophysical studies. Most studies do not fully incorporate the interactive biophysicalfeedbacks between biological and physical processes. For this reason, it isunknown if self-organization has emergent effects on both physical and biologicalproperties. In this thesis, using submerged aquatic macrophytes in streams as amodel system, I study the emergent properties of self-organization – resulting fromthe two-way interaction between plant growth and flow redistribution – for bothhydrological and ecological processes. Specifically, I study the role of selforganizationof aquatic macrophytes in terms of regulation or river flow (velocitiesand depth), biological interactions (inter-specific effects on growth and dispersal,and intra-specific effects on spatial patterning) and resource uptake. My studycombines field experiments and field observations, laboratory flume experimentsand mathematical models.In Chapter 2, I examine whether self-organization, resulting from the twowayinteraction between plant growth and flow redistribution, has emergentproperties for stream-level hydrodynamic conditions. The results of a combinedmathematical modelling and empirical study suggest that this self-organizationprocess creates heterogeneity in plant biomass and water flow. In turn, it stabilizesboth flow velocities and water levels under varying discharges, with multipleecosystem benefits. Therefore, my results reveal an important link between plantdrivenself-organization processes of streams and the ecosystem services theyprovide in terms of water flow regulation and habitat diversity.Summary182The regulation of water flow by submerged aquatic macrophytes studied inChapter 2 point to important implications of plant-driven hydrodynamicheterogeneity for species interactions and biodiversity. Consequently, in Chapter3 I explore the link between self-organization and facilitation. Model and field datasuggest that self-organized pattern formation promotes plant species coexistencein lotic communities by creating a ‘landscape of facilitation’. Here, multiple newniches arise for species adapted to a wide range of hydrodynamic conditions.Model predictions are confirmed by field observations of species coexistence andtransplantation experiments supporting the hypothesis of facilitation. This studytherefore highlights that understanding of the way in which competition andfacilitation interact in many ecosystems is crucial for successful management oftheir biodiversity.The self-organization process described in Chapter 2 and 3 is based on thedivergence of water flow around vegetation patches. Divergence of physical stressis a common mechanism underlying the patchy distribution of foundation speciesin many ecosystems. Yet, it is still unknown if the mechanisms underlying selforganizedspatial pattern formation are important for facilitation of speciesestablishment. Retention of vegetative propagules by existing vegetation is animportant bottleneck for macrophyte establishment in streams. Water flow is boththe dispersal vector of plant propagules and the stress factor that leads tovegetation patchiness. In Chapter 4, I study how this flow divergence mechanismaffects facilitation through propagule retention within existing macrophytepatches, using mesocosm, flume and field studies. My study suggests thatfeedbacks between patch reconfiguration and water movement, leading to selforganization,can facilitate the establishment of macrophyte species duringdispersal and primary colonization.In Chapter 5, I test if existing spatial patchiness of macrophytes, resultingfrom the two-way interaction between vegetation and hydrodynamics, affectsvegetation occurrence through intra-specific facilitation. Field manipulationexperiments reveal that vegetation patches in streams organize themselves in Vshapesto minimize hydrodynamic and drag forces, resembling the flight formationadopted by migratory birds. My findings highlight that bio-physical interactionsSummary183shape the way organisms position themselves in landscapes exposed to physicalflows.In Chapter 6, I explore the emergent effects of self-organized spatialpatchiness due to different species on resource uptake. Many studies of planthydrodynamicfeedbacks deal with monospecific canopies. However, naturallandscapes are a diverse community composed of patches of different species withcontrasting traits. These patches potentially influence each other through theirhydrodynamic effects, for instance affecting the uptake of resources that is crucialfor productivity. My findings suggest that patches of macrophyte species interactwith each other through facilitation of resource uptake, by influencing turbulence.This was tested in racetrack flume experiments combining hydrodynamicmeasurements and 15N labelled ammonium incubations. My study reveals theimportance of turbulence as an agent of interaction between different species.Moreover, the findings suggest that interactions between heterogeneous,multispecific patchy vegetation are crucial to understand aquatic ecosystemfunctioning and services of nutrient load reduction.In conclusion, my research highlights the crucial emergent effects of selforganizationfor a range of physical and biological properties in ecosystems. Thisstudy reveals a previously unexplored link between self-organized biologicalpatterns and ecosystem services such as flow regulation, habitat and speciesdiversity. Understanding the regulating functions of spatial self-organization isessential to maintain the valuable ecosystem services it supports. In manyecosystems, bio-physical interactions are still approached in a static way that doesnot fully incorporate the dynamic feedbacks. Future empirical and modellingstudies in other biogeomorphic landscapes should aim to further include thesereciprocal feedbacks. This will increase our understanding of the full range ofemergent properties of spatial patterning in ecosystems, and the widerapplicability of the conclusions presented here. The findings of this thesis alsosuggest how bio-physical interactions can be used to guide the management andrestoration of aquatic ecosystems. Hence, our fundamental research questions onself-organization can be closely linked to applied research. Such linkage is valuableto guide the management and conservation of ecosystems.","AbstractOtherLang":"Zelforganisatie wordt in toenemende mate erkend als een belangrijk regulerendproces in ecosystemen. Veel studies naar zelforganisatie in de biologie hebben zichgericht op de emergente, d.w.z. spontaan verschijnende, effecten vanzelfgeorganiseerde ruimtelijke patronen op biologische eigenschappen, zoalsverhoogde productiviteit of veerkracht tegen verstoringen. Ondanks hetveelvuldig voorkomen in biologische theorieën is zelforganisatie nog nietuitgebreid onderzocht in geofysische studies. De meeste studies slagen er niet inde wisselwerking tussen biologische en fysische processen volledig in hetonderzoek mee te nemen. Hierdoor is onbekend of het zelforganisatieproces datvoortkomt uit deze terugkoppelingen ook emergente effecten heeft op zowelfysische als biologische eigenschappen. In dit proefschrift bestudeer ik, uitgaandvan onderwaterplanten in beken als modelsysteem, de emergente effecten vanzelforganisatie – ten gevolge van de tweezijdige interactie tussen plantengroei enherverdeling van waterstroming – op zowel hydrologische als ecologischeprocessen. In het bijzonder onderzoek ik de rol van zelforganisatie van zulkewaterplanten in termen van regulatie van de waterstroming (stroomsnelheid endiepte), biologische interacties (groei, verspreiding en ruimtelijkepatroonvorming) en opname van nutriënten. Mijn onderzoek combineertveldexperimenten en veldobservaties, stroomgootexperimenten in hetlaboratorium en wiskundige modellen.In Hoofdstuk 2 onderzoek ik of zelforganisatie, ten gevolge van detweezijdige interactie tussen plantengroei en herverdeling van waterstroming,emergente gevolgen heeft voor de hydrodynamiek op de schaal van de beek. Ineen gecombineerde wiskundige model- en empirische studie laat ik zien dat hetzelforganisatieproces heterogeniteit creëert in plantenbiomassa en waterstroming.Dit stabiliseert zowel stroomsnelheid als waterhoogte onder variabele rivierafvoer,met gunstige effecten op voor het ecosysteem. Mijn resultaten leggen daarom eenbelangrijke link bloot tussen plantgedreven zelforganisatieprocessen inbeekecosystemen en de ecosysteemdiensten die deze beken leveren in termen vanwaterstroomregulering en habitatdiversiteit.De in Hoofdstuk 2 bestudeerde regulering van de waterstroming dooronderwaterplanten wijst op belangrijke implicaties van plantgedrevenhydrodynamische heterogeniteit voor soorteninteracties en biodiversiteit. InHoofdstuk 3 onderzoek ik daarom de relatie tussen zelforganisatie en facilitatie.Modelvoorspellingen suggereren dat zelfgeorganiseerde patroonvorming de coexistentiebevordert van plantensoorten in leefgemeenschappen in stromend waterdoor een “landschap van facilitatie” te creëren. Hierin ontstaan meerdere nieuweniches voor soorten die zijn aangepast aan een breed scala aan hydrodynamischecondities. Modelvoorspellingen worden bevestigd door veldwaarnemingen vansamen voorkomende soorten en transplantatie-experimenten die de hypothese vanfacilitatie ondersteunen. Deze studie benadrukt dan ook dat begrip van de wijzewaarop competitie en facilitatie in veel ecosystemen met elkaar wisselwerkencruciaal is voor een succesvol beheer van biodiversiteit.Het zelforganisatieproces zoals beschreven in Hoofdstuk 2 en 3 is gebaseerdop het omleiden van waterstroming rond vegetatie. Omleiding van fysischekrachten is een algemeen mechanisme dat in veel ecosystemen ten grondslag ligtaan patroonvorming door soorten. Tot op heden is echter onbekend of deonderliggende mechanismen voor zelfgeorganiseerde ruimtelijke patroonvormingvan belang zijn voor het faciliteren van soortenvestiging. Het invangen vanplantpropagulen door reeds aanwezige vegetatie is een belangrijk knelpunt voorde vestiging van waterplanten in beken. De waterstroming is zowel hettransportmechanisme van plantpropagulen als de stressfactor die leidt totruimtelijke vegetatiepatronen. In Hoofdstuk 4 onderzoek ik de gevolgen van ditstromingsomleidingsmechanisme voor de facilitatie door het invangen vanpropagulen in reeds aanwezige plekken met vegetatie, gebruikmakend vanmesocosmos-, stroomgoot- en veldstudies. Mijn onderzoek suggereert datterugkoppeling tussen de herverdeling van vegetatie en de waterbeweging, wat totzelforganisatie leidt, de vestiging van waterplantensoorten kan vergemakkelijkentijdens hun verspreiding en eerste kolonisatie.In Hoofdstuk 5 test ik of het patroon van ruimtelijk verspreide patches vanwaterplanten, ten gevolge van de tweezijdige wisselwerking tussen vegetatie enhydrodynamiek, invloed heeft op de vegetatievestiging door facilitatie binneneenzelfde soort. Manipulatie-experimenten in het veld demonstreren dat vegetatiein beken zichzelf in V-vormen schikken om hydrodynamische krachten enweerstand te minimaliseren, vergelijkbaar met de vluchtformatie van trekvogels.Mijn bevindingen onderstrepen dat biofysische interacties vormgeven hoeorganismen zichzelf positioneren in landschappen blootgesteld aan fysischestromingen.In Hoofdstuk 6 verken ik ten slotte de emergente effecten vanzelfgeorganiseerde ruimtelijke patronen, ontstaan door verschillende soorten, opde grondstofopname. Veel studies aan plant-hydrodynamische terugkoppelingengaan uit van één plantensoort. Natuurlijke landschappen zijn echter diverseleefgemeenschappen bestaand uit plekken van verschillende soorten mettegengestelde eigenschappen. Deze plekken beïnvloeden elkaar mogelijk door hunhydrodynamische effecten, bijvoorbeeld door beïnvloeding van degrondstofopname, die cruciaal is voor de productiviteit. Mijn bevindingensuggereren dat plukken macroscopisch grote waterplantsoorten met elkaarwisselwerken door de grondstofopname te vergemakkelijken door de turbulentiete veranderen. Dit test ik aan de hand van experimenten in een rondlopendestroomgoot waarbij hydrodynamische metingen gecombineerd worden met 15Ngelabelde ammonium-incubaties. Mijn onderzoek toont het belang aan vanturbulentie als interactiemiddel tussen verschillende soorten. De bevindingensuggereren bovendien dat interacties tussen heterogeen verdeelde meersoortigeplukkerige vegetatie cruciaal zijn om het functioneren van het aquatischeecosysteem en de verdiensten van nutriëntenladingsvermindering te kunnenbegrijpen.Concluderend belicht mijn onderzoek de cruciale emergente effecten vanzelforganisatie op een breed scala aan fysische en biologische eigenschappen inecosystemen. Deze studie legt een tot nog toe onontdekt verband bloot tussenzelfgeorganiseerde biologische patronen en ecosysteemdiensten zoalsstromingsregulering, habitat- en soortendiversiteit. Begrip van de regulerende rolvan ruimtelijke zelforganisatie is essentieel voor het behoud van de waardevolleecosysteemdiensten die ze ondersteunt. In veel ecosystemen worden biofysischeinteracties nog altijd behandeld vanuit een statische benadering die de dynamischeterugkoppelingen niet volledig omvat. Toekomstige empirische- en modelstudiesnaar andere biogeomorfologische landschappen zouden moeten trachten dezewederzijdse terugkoppelingen verder mee te nemen. Dit zal bijdragen aan onsbegrip van het volledige scala aan emergente eigenschappen van ruimtelijkepatroonvorming in ecosystemen en bredere toepasbaarheid van de hiergepresenteerde conclusies. De bevindingen in dit proefschrift suggereren ook hoebiofysische interacties benut kunnen worden om beheer en herstel van aquatischeecosystemen te sturen. Zo kunnen onze fundamentele onderzoeksvragen overzelforganisatie direct gekoppeld worden aan toegepast onderzoek. Dergelijkekoppelingen zijn waardevol om beheer en behoud van ecosystemen in goedebanen te leiden.","BibLvlCode":"M","StandardTitle":"Emergent properties of bio-physical self-organization in streams","OrigTitleLangCode":"en","OrigTitleLangCodeExtended":"eng","OrigTitleLangID":15,"DateLastModified":{"date":"2024-12-10 01:33:17.368041","timezone_type":1,"timezone":"+01:00"},"UserAccessRight":null,"UserAccID":null,"AuthorKeywords":null,"OtherDescriptors":null,"Notes":null,"AnaPub":null,"MonPub":2018,"DateUpdate":"2018-03-20","DateCreate":"2018-03-15","SecASFANote":null,"ConfID":null,"PeerRev":0,"VlizCoreFlag":1,"WoScode":null,"VABBcode":null,"OpenAcc":0,"Handle":"11370/612799da-932a-451e-aebb-ad676e974095"},"refs":null,"anarec":null,"monrec":{"MonID":294032,"ISBN":"978-94-034-0347-2","PubliDate":2018,"IssueDate":null,"Volume":null,"Issue":null,"Pagination":"197","Place":null,"Edition":null,"BRefXtra":null,"BRefXtraRR":null,"SerID":null,"SerRR":null,"Ser2BRefID":null,"Ser2RR":null,"StandardTitleSer":null,"ISSN":null,"AbbrevSer":null,"Degree":"PhD","ThesisID":294032,"InsID":null,"Acronym":null,"FullStandardName":null,"ToPubliDate":null,"SerNotes":null,"eISBN":null,"Pages":197},"serrec":null,"relations":null,"relationsRev":null,"addrec":null,"othpubs":null,"ownerships":null,"authors":[{"AutName":"Cornacchia","Firstname":"Loreta","Initials":"L.","Affiliation":"EDS","Discriminator":null,"CorporateFlag":0,"BEntID":286096,"AutID":238060,"OrderNr":1,"DegrID":null,"EditorFlag":0,"CorrespFlag":0,"IllustratorFlag":0,"ReviserFlag":0,"TranslatorFlag":0,"InsAcronym":"EDS","InsFSN":"Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee; Estuarine and Delta Systems","ORCID":"0000-0002-2822-305X","PersID":29685,"InsID":13657}],"mapdetails":null,"datasets":null,"monographs":null,"monparts":null,"serparts":null,"BEntOpen":286096,"BEntPrivate":null,"availability":null,"litstyles":[{"LitStyID":7,"Style":"Dissertation"}],"thespers":[{"PersID":8361,"Surname":"Bouma","Firstname":"Tjeerd","Initials":"T.J.","Role":"Promotor"},{"PersID":8362,"Surname":"van de Koppel","Firstname":"Johan","Initials":"J.","Role":"Promotor"},{"PersID":11949,"Surname":"van der Wal","Firstname":"Daphne","Initials":"D.","Role":"Promotor"}],"arch2discl":805,"SERpubls":null,"MONpubls":null,"pictures":[],"thestermsPath":null,"thestermsASFA":null,"taxtermsASFA":null,"geotermsASFA":null,"collections":null,"conf":null,"proj":null,"Physdatasets":null,"spcols":{"805":{"SpName":"Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee","SpColID":805,"ParSpColID":null,"TopParID":null,"ShortName":"NIOZ","URLLocation":"https://www.vliz.be/imis/nioz/imis.php?refid=","LibID":2779,"OpenRepoFlag":1,"SpTypID":1,"TopParIDNotWebsite":null,"SpColPath":"NIOZ"}},"doi":null,"publs":[{"PublID":1312,"PublName":"NIOZ","InsID":397,"PersID":null,"INBOID":null,"OrderNr":1}],"serparttypes":null,"monauthors":null,"MParts":null,"SParts":null,"hLibs":null,"langs":[{"BEntID":286096,"AbstractFlag":0,"LangID":15,"LangCode":"en","Lang":"English","DutchTerm":"Engels","LangCodeExtended":"eng"},{"BEntID":286096,"AbstractFlag":1,"LangID":15,"LangCode":"en","Lang":"English","DutchTerm":"Engels","LangCodeExtended":"eng"},{"BEntID":286096,"AbstractFlag":1,"LangID":41,"LangCode":"nl","Lang":"Dutch","DutchTerm":"Nederlands","LangCodeExtended":"dut"}],"urls":[{"URL":"https://hdl.handle.net/11370/612799da-932a-451e-aebb-ad676e974095","externalID":"11370/612799da-932a-451e-aebb-ad676e974095","URLTypeCode":"Handle","URLID":62794,"URLTypID":32,"URLType":"Handle","URLPrefix":"https://hdl.handle.net/"}],"thesterms":null,"taxterms":null,"geoterms":null,"othterms":null,"asfacodes":null,"asfa2codes":null,"thestermsFRIS":null,"taxtermsFRIS":null,"geotermsFRIS":null,"othtermsFRIS":null,"resmessage":"","complete":1,"sessions":{"newSesName":"Marlies.Bruining@nioz.nl","newSesDate":{"date":"2018-03-15 10:34:31.453000","timezone_type":3,"timezone":"Europe/Brussels"},"updSesName":"Leonne.van.der.Weegen@nioz.nl","updSesDate":{"date":"2018-03-20 09:13:23.003000","timezone_type":3,"timezone":"Europe/Brussels"}}}