Extending and integrating ecological concepts and theories can provide new solutions for difficult ecological problems. The ecosystem concept and ecosystem ecology theory have seen important developments through the elaborations of metaecosystem theory, which extends the ecosystem concept through spatial flows of energy, materials and organisms between interconnected ecosystems, and ecological stoichiometry, which extends ecological energetics by examining multiple chemical balances of substances in ecological interactions. However, these two extensions of ecosystem ecology theory have not been brought together in any form. In this thesis, I first extend both ecological stoichiometry and metaecosystem theory, and then integrate them in order to clarify difficult ecological concepts and to provide new solutions to ecological problems.My overall approach is to develop mathematical models to formally articulate ecological concepts such as nutrient colimitation, stoichiometric imbalances and metaecosystem connectivity within the frameworks of ecological stoichiometry and metaecosystem theory. First, I present a parameterized stoichiometric ecosystem model that examines the relationship between mechanisms and phenomenology of nutrient colimitation, and how the mechanisms may interact with stoichiometrically imbalanced trophic interactions. I show that there are no clear relationships between mechanisms and phenomena, and that the mechanisms of colimitation are key in determining ecological dynamics and functioning.I then examine in a spatially-explicit model how the connectivity of a metaecosystem and the relative movement rates of nutrients and organisms can drive dynamics of spatially perturbed metaecosystems. I show that the eigenvalues of the matrix that describes metaecosystem connectivity can be used to predict the spatial dynamics of a metaecosystem and the kinds of dynamics present depends heavily on relative movement rates. Lastly, I bring metaecosystem theory and ecological stoichiometry together in a spatially-explicit stoichiometric metaecosystem model to examine how spatial flows of nutrients and organisms can act as a mechanism to cause nutrient colimitation at local and regional scales. The model indicates that nutrient colimitation can be caused by spatial flows and this mechanism can be used to explain many confounding patterns in colimited growth responses found in the empirical literature. / L'extension et l'intégration des théories et des concepts écologiques peuvent nous aider a trouver de nouvelles solutions pour des problèmes ecologiques difficiles. Le concept de l'écosystème et la théorie des écosystèmes ont survécu a d'importants changements par l'élaboration de la théorie des métaécosystèmes, qui ajoute au concept de l'écosystème des flux d'énergie, de matériaux et d'organismes entre des écosystèmes liés ensemble, et la stoechiometrie ecologique, qui étend la théorie énergétique des écosystèmes par l'inclusion de l'équilibre de plusieurs substances chimiques dans les interactions écologiques. Pourtant, ces deux extensions de la théorie des écosystèmes ne sont pas encore reunies. Dans ma thèse, j'étends la théorie des métaécosystèmes et la stoechiométire écologique, et par la suite je les unis ensemble pour adresser des conceptsécologiques difficiles et pour trouver des solutions aux probeèmes écologiques.La méthodologie pour aborder ces sujets consiste à développer des modèles mathématiques pour l'articulation des concepts ́écologiques comme la limitation du croissance par plusieurs nutriments, les déséquilibres stoechiométriques et la connectivité des métaécosystèmes dans le cadre de la théorie des métaécosystèmes et la stoechiométrie écologique. Premièrement, je presente un modèle stoechiométrique d'un écosystème avec des paramètres pris d'un écosystème réel qui a pour but d'examiner les relations entre les mécanismes et les phénomènes de la limitation de la croissance par plusieurs nutriments. En plus, j'examine comment cette limitation peut intéagir avec les déséquilibres stoechiométriques entre les autotrophes et les herbivores.Deuxièment, j'étudie avec un modèle spatial comment la connectivité d'un métaécosystème et les taux relatifs de mouvement des nutriments et des organismes peuvent diriger les dynamiques des métaécosystèmes perturbés. Je montre que les valeurs charactéristiques de la matrice qui décrit la connectivité du métaécosystème peuvent être utilisées pour prédire les dynamiques spatiales du métaécosystème et les types de dynamiques dépendent des taux relatifs de mouvement.Finalement, j'unis la théorie des métaécosystèmes avec la stoechiométrie écologique dans un modèle qui contient un métaécosystème stoechiométrique. J'utilise ce modèle pour examiner si les flux de nutriments et des organismes peuvent agir comme un mécanisme de limitation de la croissance par plusieurs nutriments dans les écosystèmes locaux et les métaécosystèmes. Le modèle indique que la limitation de la croissance par plusieurs nutriments peut être causée par les flux spatiaux et ce mécanisme à la capacité d'expliquer plusieurs phénomèmes empiriques dans le domaine de la limitation par plusieurs nutriments.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.123011 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Marleau, Justin |
| Contributors | Frederic Guichard (Supervisor1), Michel Loreau (Supervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Biology) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically submitted theses |
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