Ecohydrological modelling of soil water and nuntrients dynamics in tropical and subtropical biomes

The present work describes an eco-hydrological approach in order to analyze the interaction between hydrological and biogeochemical cycles in tropical and sub-tropical biomes, seen as ecosystems shaped by resources limitation and competitition between the two dominating plant functional types of trees and grasses. A first model investigates the tree-grass competition for multiple resources, representing the characteristics biomes succession mainly as the results of the dynamical behavior of tree and grasses competing for water and mineral in a shared volume of soil. We use a simple dynamical resource-competition model considering two contrasting hypotheses about the behavior of tree and grasses respect to the resources: 1) tree is the superior competitor for nitrogen and grass is the superior competitor for water, and 2) tree is the superior competitor for water, and grass for nitrogen. We study the model’s properties in both the two different hypotheses, calculating steady states and bifurcations. We use data of some african savanna and a statistical analysis to select the hypothesis which better represent the data. In addition we compare the model’s results with a global simulated database finding an agreement of about 72%. Finally we study patterns of vegetation along two gradients of resources in order to investigate the potential changes of vegetation under climate variability, and patchiness of soil properties. We develop a second model which focuses on nitrogen and phosporous limitation in the same latitudinal range. We start from a minimal description of the dynamics of soil moisture and its interaction with the cycling of nutrients in soil, and in particular with the mineralizationimmobilization turnover. We shows that, despite its parsimonius parameterization, this model is able to capture relevant characteristics of the observed patterns of nutrient limitation, in particular those obtained in nutrient enrichment experiments.

Il presente lavoro descrive un approccio eco-idrologico allo studio delle interazioni tra cicli idrologici e biogeochimici in biomi tropical e sub-tropicali, determinati dalla disponibilità di risorse nel suolo e dalla competizione tra le componenti erbacee e arboree-arbustive che dominano tali ecosistemi. Un primo modello si focalizza sulla competizione per acqua e azoto minerale tra tali componenti, rappresentate attraverso un sistema dinamico non lineare, che viene studiato attraverso l’analisi di biforcazione con continuazione numerica, sotto due ipotesi opposte di status competitivo, entrambe supportate in letteratura. Il comportamento del modello viene utilizzato per discriminare le due ipotesi attraverso un test statistico su un dataset di misurazioni compiute in differenti savane in Africa. Il modello viene inoltre confrontato con i risultati di simulazioni ottenute tramite un modello biogeochimico a scala globale, e sono studiate le variazioni di produttività primaria lungo gradienti di disponibilità di queste due risorse. Un secondo modello introduce la dinamica del fosforo nel suolo, studiando le condizioni di limitazione e co-limitazione di N e P nello stesso intervallo latitudinale. Vengono descritte la dinamica dell’acqua nel suolo e l’influenza delle condizioni di umidità sui processi di mineralizzazione delle componenti organiche di questi due nutrienti. Il comportamento del modello viene confrontato con risultati ottenuti da studi di fertilizzazione a scala regionale.