NAME: Theresia Ndum Foy THESIS TITLE: Diatom community structure along a river continuum: influence of multiple stressors in headwaters (Zenne basin, Belgium.
THESIS ABSTRACT The main purpose of this study was to use the autecology of diatom assemblages in specific hydrological and catchment situations, to assess the ecological conditions of streams that are subjected to different land-uses, with a focus on pollution by anthropogenic activities at the headwaters and on the influence of flow-through pond systems. The river Zenne, a 7th order river and 103 km long with a catchment area of 1164 km2 was used to analyze aspects of catchment disorder and discontinuity in the river continuum concept especially at the level of its 1st and 2nd order streams. Emphasis were placed on the “river continuum concept” in the river Zenne to illustrate that the river ecosystem, though a continuum in the sense of river hydrology and nutrient substance transportation, is stressed by disturbances from human activities without a simple relation to river order. Epilithic diatoms were collected on small stony debris (<2cm) at 34 sites in headwaters and on artificial substrates in the main river Zenne (7 sites) and some of its tributaries (3 sites). Relationships between diatom assemblages and water physico-chemical data were explored with multivariate analysis (CCA). This revealed two major environmental gradients, a first one corresponding to the soil substrate and a second one to variables related to organic pollution and eutrophication. The application of diatom based indices (TDI, IPS and IBD) coincided with catchment land-use influence and water quality. Ecological indices demonstrated that the pollution related ecological effects of agricultural and urban land at the sources of some 1st and 2nd order streams, are similarly high as for the polluted higher order stream such as the Zenne. We used a southern part of the Zenne catchment (Hallerbos and surroundings) to further explore this discontinuity at 1st and 2nd order stream catchments close to sources, where conductivity and nutrients were high due to domestic waste effluent, predominantly agricultural activities and locally from highway run-off. Most of the studied streams were
-1-
highly fragmented, with short stream length ranging from 1km to 5km. This makes it conceptually different from other studies (dealing with rivers and streams of length ranging from tens to hundreds of km) that relate diatom assemblages to agriculture, urbanization, and organic pollution. Over a two year period with single sampling per year, 180 diatom taxa were identified at 43 stream sites. Between-year variability in the composition of sensitive species in the forest streams was not significant. The tolerant species Luticula mutica and Gomphonema parvulum were of significantly higher abundances in the disturbed streams. Cluster analysis, detrended correspondence analysis (DCA) and TWINSPAN analysis revealed groups of sites with similar species composition and redundant detrended analysis (RDA) indicated a strong gradient effect of species to several key environmental variables. The response of diatom species to the impact of multiple stressors in headwaters within the first few kilometers (≤5km) downstream the sources of a highly fragmented landscape, showed an anthropogenic gradient (agriculture and urban land-use in general) of species distribution which is directly related to conductivity, silicate and dissolved oxygen. On the Eastern part of the Zenne catchment (i.e. the Woluwe river), several headwaters are severely influenced by hydrological alterations, namely the connection of two basically different ecosystems such as ponds with a river, locally resulting in a series of flow-through ponds which might change the ecological quality along the river. Diatom assemblages were studied from newly placed substrates in river sites located upstream and downstream the ponds and taken at different time intervals to determine maximum exposure time to obtain a representative assemblage. In such a system, the maximum exposure time was determined at day 14 to 36 in which the major dominant species were well established. A significant difference in diatom cell density, colonization pattern, community structure and resulting ecological quality were obtained in sites situated either before or after the ponds. In addition, a longer term dynamic (over a nine year period; 1998, 2001, 2003, 2004 and 2006) in diatom community structure on different substrates (natural and artificial) at 13 sites in the Woluwe, a small peri-urban river, revealed only a persistent spatial variation instead of a temporal variation. Upstream forested sites showed moderate to good ecological quality while all further downstream sites had bad to moderate ecological quality. Both ecological
-2-
quality (IBD and IPS values) and water quality variables did not change drastically from 1998 to 2006 though mean values of dissolved phosphorus and total phosphorus for all 13 sampled sites were significantly lower in 2006 when compared to other years. The diatom community is dominantly planktonic at sites where the river receives ample pond water, thereby lowering the index values. This confirms that community structure of phytobenthos which is dominated by diatoms in the Woluwe headwaters are drastically affected by flow-through ponds which contributes to lower the ecological quality of this river. Investigation of diatom autecology on rivers with soft natural substrates, that could not be standardized between studied sites, was therefore carried out on both natural and artificial substrates. Both substrates mostly gave similar ecological quality classes, though diatom communities could vary strongly between substrates. The seasonal factor determined diatom composition more than substrate type. However, natural substrates remain the first choice. As a general conclusion; (1) The river is not a continuum with simple relation to stream order because some 1st and 2nd order streams close to sources showed similarly lower ecological quality as the higher order streams; (2) Diatom community structure showed an abrupt change along the expected continuum to impact of multiple stressors in headwaters just within the first few kilometers (<5km) downstream the sources of a highly fragmented landscape; (3) An artificial substrate exposed for a period of 14 to 36 days in the water column is enough to show an established diatom community structure; (4) The colonization of diatoms on artificial substrates in the Woluwe river that receives ample pond water revealed a significant difference in cell density, colonization pattern, community structure and ecological quality before and after the ponds; (5) A long term dynamic (over a nine year period; 1998, 2001, 2003, 2004 and 2006) in diatom community structure in the Woluwe river revealed only a persistent spatial variation (moderate to good ecological quality upstream forested sites and bad to moderate ecological quality more downstream) instead of a temporal variation;
-3-
(6) Both ecological quality (IBD and IPS values) and water quality variables did not change drastically from 1998 to 2006 though mean values for dissolved phosphorus and total phosphorus were significantly lower in 2006 when compared to other years; (7) Diatoms ought to be one of the recommended biomonitoring tools to determine the significance of any anthropogenic impacts on the headwater aquatic ecosystem at short distances from sources, in particular for highly fragmented river stretches disrupting the river continuum.
-4-
SAMENVATTING De voornaamste doelstelling van dit onderzoek is de beoordeling van de ecologische status van waterlopen onder invloed van verschillend landgebruik door gebruik te maken van de autecologie van diatomeeëngemeenschappen in specifieke hydrologische situaties. De nadruk ligt op vervuiling door antropogene activiteiten aan de waterlopen en op de invloed van instromend vijverwater. De Zenne, een rivier van de 7de orde met een lengte van 103km en een bekken van 1164 km2 werd gebruikt om de verstoring en discontinuïteit in het riviercontinuümconcept te bestuderen, specifiek op bovenlopen van het 1ste en 2de ordeniveau. Om te illustreren dat het rivierecosysteem, ondanks een continuüm wat betreft hydrologie en nutriëntentransport, onder druk staat van antropogene invloeden zonder eenvoudige relatie met de rivierorde, werd de nadruk gelegd op het continuüm aspect van de Zenne. Epilitische diatomeeën werden ingezameld op klein stenig substraat (<2cm) op 34 sites in waterlopen en op artificiëel substraat in de hoofdrivier Zenne (7 sites) en enkele van zijn bijrivieren (3 sites). De relaties tussen de diatomeeënsamenstelling en de fysische en chemische variabelen die de waterkwaliteit bepalen werden onderzocht met multivariate analyse (CCA). Twee belangrijke omgevingsgradiënten werden aangetoond, een eerste overeenkomend met het bodemsubstraat en een tweede met variabelen gerelateerd aan organische vervuiling en eutrofiëring. De diatomeegebaseerde indices (TDI, IPS en IBD) waren coherent met landgebruik en waterkwaliteit. Ecologische indices toonden dat de ecologische effecten gerelateerd aan vervuiling in een landbouw- en verstedelijkt gebied aan de bronnen van enkele 1ste en 2de orde bovenlopen even groot zijn als in bovenlopen van een hogere orde zoals de Zenne. We gebruikten het zuidelijke deel van de Zennevallei (Hallerbos en omgeving) om deze discontinuïteit van rivieren van 1ste en 2de orde verder te onderzoeken nabij de bronnen, waar de conductiviteit en nutriënten reeds hoog waren door de afvoer van huisafvalwater, landbouwactiviteiten en lokaal ook waterafvloei van autowegen. Het grootste gedeelte van de bestudeerde rivieren was erg gefragmenteerd, met een korte stroomlengte variërend van 1km tot 5km, wat dit onderzoek conceptueel verschillend maakt van de
5
meeste studies (waarbij vaak rivieren en stromen bestudeerd worden met een lengte van enkele tientallen tot honderden kilometers) die diatomeeën-gemeenschappen relateren aan landbouw, verstedelijking en organische pollutie. Gedurende een periode van twee jaar met een éénmalige staalname per jaar werden 180 diatomeeëntaxa geïdentificeerd op 43 staalnameplaatsen. Er was geen significant verschil in de samenstelling van gevoelige soorten in rivieren in bebost gebied. De tolerante soorten Luticula mutica en Gomphonema parvulum waren in significant hogere abundanties aanwezig in verstoorde waterlopen. Cluster analyse, ‘detrended correspondence analysis’ (DCA) en TWINSPAN analyse groepeerden de staalnamepunten naargelang hun soortensamenstelling en een ‘redundant detrended analysis’ (RDA) gaf een sterk gradueel effect weer van enkele belangrijke omgevingsvariabelen op de soortensamenstelling. De reactie van diatomeeënsoorten op de impact van verschillende stressfactoren in waterlopen binnen de eerste paar kilometers (≤5km) stroomafwaarts van de bronnen van een sterk gefragmenteerd landschap vertoonde een antropogene gradiënt (over het algemeen landbouw en stedelijk landgebruik) die direct gerelateerd is aan conductiviteit, silicium en opgeloste zuurstof. In het oostelijk deel van de Zennevallei (i.e. de Woluwerivier) worden verschillende bovenlopen sterk beïnvloed door hydrologische interacties, meer bepaald door de verbinding die er bestaat tussen vijver en rivier, twee fundamenteel verschillende ecosystemen, wat lokaal resulteert in een reeks doorstroomvijvers die zo mogelijk de ecologische kwaliteit langs de rivier beïnvloedt. De diatomeeënsamenstelling werd bestudeerd aan de hand van nieuw geplaatste substraten die zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts van de vijvers geplaatst werden en dit met verschillende tijdsintervallen om de tijd van maximale blootstelling aan de waterkolom te bepalen die nodig is om een representatief staal te verkrijgen. In een dergelijk systeem werd een maximale blootstellingsperiode van 14 tot 36 dagen bepaald waarin de voornaamste dominante soorten zich voldoende gevestigd hadden. De plaatsen gesitueerd voor en na de vijvers waren significant verschillend voor wat betreft de celgrootte, het kolonisatiepatroon, de
6
structuur van de diatomeeëngemeenschap en ook de daaruit resulterende ecologische kwaliteit. Daarnaast toonde een studie naar de dynamiek van de diatomeeëngemeenschappen over langere termijn (een periode van negen jaar; 1998, 2001, 2003, 2004 en 2006) op verschillende substraten (natuurlijk en artificiëel) op 13 plaatsen in de Woluwe, een kleine rivier gelegen in een stedelijke omgeving, aan dat er enkel een pertinente spatiale variatie is in plaats van een temporele. De stroomopwaarts gelegen vijvers in bebost gebied vertoonden een middelmatige tot goede ecologische kwaliteit in tegenstelling tot alle stroomafwaartse sites die een slechte tot middelmatige ecologische kwaliteit vertoonden. Zowel de ecologische kwaliteit (IBD en IPS waarden) als de variabelen die de waterkwaliteit bepalen zijn niet drastisch veranderd in de periode van 1998 tot 2006, hoewel de gemiddelde waarden voor opgeloste fosfaten en totaal fosfaat van de 13 staalnameplaatsen in 2006 significant lager lagen in vergelijking met voorgaande jaren. De diatomeeëngemeenschap bestaat voornamelijk uit planktonische soorten op plaatsen waar overvloedig vijverwater in de rivier doorstroomt, wat de indexwaarden verlaagt. Dit bevestigt dat de structuur van de fytobenthosgemeenschap, die in de waterlopen van de Woluwe gedomineerd wordt door diatomeeën, drastisch beïnvloed wordt door doorstroomvijvers wat bijdraagt tot het verlagen van de ecologische kwaliteit van deze rivier. Een onderzoek naar de autecologie van diatomeeën op rivieren met een zacht, natuurlijk substraat,
die
niet
gestandaardiseerd
konden
worden
tussen
verschillende
staalnameplaatsen, werd daarom zowel op natuurlijk als op artificiëel substraat uitgevoerd.
Beide
substraten
gaven
meestal
een
gelijkaardige
ecologische
kwaliteitsklasse aan, hoewel de diatomeeëngemeenschappen sterk konden verschillen. De seizoenale factor was meer bepalend voor de compositie van de diatomeeëngemeenschap dan het substraattype. De voorkeur werd echter gegeven aan natuurlijke substraten. Als algemene conclusie geldt;
7
(1) 1De rivier is geen continuüm die in een eenvoudige relatie staat tot de rivierorde aangezien enkele rivieren van de 1ste en 2de orde dicht bij de bron een lagere ecologische kwaliteit vertoonden die vergelijkbaar was met de hogere rivierorden; (2) 2De structuur van de diatomeeëngemeenschap vertoonde een abrupte verandering langs het verwachte continuüm door de invloed van verschillende stressfactoren in waterlopen binnen de eerste paar kilometers (<5km) stroomafwaarts van de bronnen van een sterk gefragmenteerd landschap; (3) Een periode van blootstelling van het substraat aan de waterkolom van 14 tot 36 dagen is voldoende om de vestiging van een diatomeeëngemeenschap toe te laten; (4) De kolonisatie van diatomeeën op artificiële substraten in de Woluwerivier die overvloedig vijverwater toegevoerd krijgen, toonde een significant verschil aan in celdensiteit, kolonisatiepatroon, gemeenschapsstructuur en ecologische kwaliteit voor en na de vijvers; (5) Een studie naar de dynamiek van de diatomeeëngemeenschap op langere termijn (een periode van negen jaar; 1998, 2001, 2003, 2004 en 2006) in de Woluwerivier toonde aan dat er enkel een spatiale variatie is (met een goede ecologische kwaliteit in het stroomopwaartse, in bebost gebied gelegen sites en meer stroomafwaarts een slechte tot middelmatige ecologische kwaliteit) in plaats van een temporele variatie. (6) Zowel de ecologische kwaliteit (IBD en IPS waarden) als de variabelen die de waterkwaliteit bepalen zijn niet drastisch veranderd in de periode van 1998 tot 2006, hoewel de gemiddelde waarden voor opgeloste fosfaten en totaal fosfaat in 2006 significant lager lagen in vergelijking met andere jaren. (7) Diatomeeën
zouden
moeten
gebruikt
worden
als
aanbevolen
biomonitoringmethode om de significantie te bepalen van antropogene invloeden op het rivierecosysteem op een korte afstand van de bron, meer bepaald voor sterk gefragmenteerde waterlopen die het riviercontinuüm verstoren.
8
