Facing Global Change: Impacts of drying and human pressures on invertebrate diversity and organic matter processing in a Mediterranean stream network

Abstract

[eng] Intermittent rivers and ephemeral streams (IRES) currently constitute half of the global river network, occurring ubiquitously. Characterised by natural and periodic cessations of flow, IRES are proliferating due to global change, but face threats from different human-induced impacts such as water pollution, soil erosion, and habitat fragmentation. Notably, agriculture is one of the human activities with the greatest impact on freshwater ecosystems. This thesis examines the effects of drying and different land uses (natural and agricultural) on biodiversity and ecosystem functioning in a Mediterranean intermittent stream network, the Algars. These aspects are crucial for sustaining biogeochemical cycles and energy transfer within a system. Additionally, the thesis investigates the role of resistance strategies during dry phases in preserving aquatic diversity. Chapter 1 focuses on the impact of drying and land use on the functional and taxonomic α- and β-diversity of aquatic invertebrate communities during a hydrological year. Chapter 2 evaluates the roles of hyporheic refuges and invertebrate seedbanks during the dry phase in benthic assemblages under flowing conditions, assessing the taxonomic and functional responses across six intermittent streams. Chapter 3 investigates the influence of drying and land use on organic matter (OM) decomposition and fungal biomass throughout an intermittent stream network during a hydrological year. Chapter 1 reveals that drying negatively affects the taxonomic and functional α- diversity of aquatic invertebrates, but positively influences β-diversity. Land use predominantly affects α-diversity. Notably, habitat heterogeneity and elevated water nutrient levels in the stream network positively correlate with invertebrate diversity. The adverse effects of drying are less pronounced in upstream forested areas, which exhibit higher habitat heterogeneity, when compared to downstream agricultural regions. Chapter 2 identifies that seedbanks and hyporheic assemblages support up to 16% and 40% of the benthic assemblages, respectively. Diversity metrics vary between assemblage types in terms of taxonomic and functional richness. While no clear relationship can be established for diversity or the abundance of resistance traits with the dry phase duration, a negative linear relationship is observed between the abundance of resilience traits and the dry phase duration. Chapter 3 demonstrates that decomposition rates across the stream network negatively correlate with the duration of flow interruption. Dissolved inorganic nitrogen derived from agricultural activities mitigates the negative impact of drying on mass loss, enhancing it by up to threefold.However, with prolonged dry conditions, this effect diminishes. Increased canopy cover, particularly in natural areas, enhances OM processing. In summary, moderate agricultural activity within the small network studied can enhance diversity and ecosystem functioning. Nonetheless, increases in the frequency and duration of dry phases due to global change will reduce water availability, exacerbating the impacts of human pressures and threatening the survival strategies of aquatic species. This thesis significantly contributes to the understanding of the interactions between drying and land use in OM processing and biodiversity across a stream network. It underscores the importance of conserving natural and forested streams, especially in headwater regions, as potential refuges in intermittent networks.

[cat] Els rius intermitents, rieres i torrents (IRES) actualment constitueixen la meitat de les conques fluvials mundials, existint arreu. Caracteritzats per interrupcions naturals i periòdiques del flux, els IRES s’expandeixen a causa del canvi global, però s'enfronten a altres amenaces derivades d'impactes humans com la contaminació de l'aigua, l'erosió del sòl i la fragmentació de l'hàbitat. L'agricultura és una de les activitats humanes amb major impacte en els ecosistemes d'aigua dolça. Aquesta tesi examina els efectes de la sequera i els diferents usos del sòl (naturals i agrícoles) sobre la biodiversitat i el funcionament dels ecosistemes en una conca intermitent mediterrània, l’Algars. Aquests aspectes són crucials per mantenir els cicles biogeoquímics i la transferència d'energia dins del sistema. A més, l'estudi investiga el paper de les estratègies de resistència durant les fases seques en la preservació de la diversitat aquàtica. El Capítol 1 es centra en l'impacte de la sequera i els usos del sòl en la α- i β- diversitat funcional i taxonòmica de les comunitats d'invertebrats aquàtics durant un any hidrològic. El Capítol 2 avalua els rols dels refugis hiporreics i dels bancs de llavors d'invertebrats durant la fase seca en les comunitats bentòniques sota condicions de flux, avaluant les respostes taxonòmiques i funcionals en quatre rieres i dos rius intermitents. El Capítol 3 investiga la influència de la sequera i els usos del sòl en la descomposició de la matèria orgànica (MO) i la biomassa de fongs al llarg de la conca de l’Algars durant un any hidrològic. Els resultats del Capítol 1 revelen que la sequera impacta negativament la α-diversitat funcional i taxonòmica dels invertebrats aquàtics, mentre que influeix positivament en la β-diversitat. Els diferents usos del sòl afecten predominantment la α-diversitat. A més a més, l'heterogeneïtat de l'hàbitat i els nivells elevats de nutrients de l'aigua dins de la conca correlacionen positivament amb la diversitat d'invertebrats. No obstant això, els efectes adversos de la sequera són menys pronunciats en les zones boscoses riu amunt, que mostren una major heterogeneïtat de l'hàbitat, en comparació amb les regions agrícoles riu avall. El Capítol 2 identifica que les comunitats dels bancs de llavors i les hiporreiques representen fins a un 16% i un 40% de les comunitats bentònics, respectivament. Les mètriques de diversitat varien entre tipus de comunitat en termes de riquesa taxonòmica i funcional. Encara que no es pot establir una relació clara per la diversitat o l'abundància de trets de resistència amb la durada de la fase seca, s'observa una relació lineal negativa entre l'abundància de trets de resiliència i la durada de la fase seca. El Capítol 3 demostra que les taxes de descomposició a través de la conca d’estudi estan negativament relacionades amb la durada de la interrupció del flux. El nitrogen inorgànic dissolt associat amb l'agricultura mitiga l'impacte negatiu de la sequera sobre la pèrdua de massa, incrementant-la fins a tres vegades. Tot i així, aquest efecte disminueix amb fases seques més prolongades. Un major recobriment de la capçada, particularment en àrees naturals, millora el processament de la MO. En resum, l'activitat agrícola moderada dins de la petita conca d’estudi pot millorar la diversitat i el funcionament de l'ecosistema. No obstant això, l'augment de la freqüència i la durada de les fases seques a causa del canvi global reduirà la disponibilitat d'aigua, exacerbant els impactes de les pressions humanes i amenaçant les estratègies de supervivència de la diversitat aquàtica. Aquesta tesi contribueix significativament a la comprensió de les interaccions entre la sequera i els usos del sòl en el processament de la MO i la biodiversitat a través d'una petita conca Mediterrània. A més, posa en rellevància la importància de conservar els rierols naturals i boscosos, especialment en les capçaleres, com a refugis potencials als IRES.

[spa] Los ríos intermitentes, arroyos y torrentes (IRES) actualmente constituyen la mitad de las cuencas fluviales mundiales, existiendo en todas partes. Caracterizados por interrupciones naturales y periódicas del flujo, los IRES se expanden debido al cambio global, pero enfrentan otras amenazas derivadas de impactos humanos como la contaminación del agua, la erosión del suelo y la fragmentación del hábitat. La agricultura es una de las actividades humanas con mayor impacto en los ecosistemas de agua dulce. Esta tesis examina los efectos de la sequía y los diferentes usos del suelo (naturales y agrícolas) sobre la biodiversidad y el funcionamiento de los ecosistemas en una cuenca intermitente mediterránea, el Algars. Estos aspectos son cruciales para mantener los ciclos biogeoquímicos y la transferencia de energía dentro del sistema. Además, el estudio investiga el papel de las estrategias de resistencia durante las fases secas en la preservación de la diversidad acuática. El Capítulo 1 se centra en el impacto de la sequía y los usos del suelo en la α- y β- diversidad funcional y taxonómica de las comunidades de invertebrados acuáticos durante un año hidrológico. El Capítulo 2 evalúa los roles de los refugios hiporreicos y de los bancos de semillas de invertebrados durante la fase seca en las comunidades bentónicas bajo condiciones de flujo, evaluando las respuestas taxonómicas y funcionales en cuatro arroyos y dos ríos intermitentes. El Capítulo 3 investiga la influencia de la sequía y los usos del suelo en la descomposición de la materia orgánica (MO) y la biomasa de hongos a lo largo de la cuenca del Algars durante un año hidrológico. Los resultados del Capítulo 1 revelan que la sequía impacta negativamente la α-diversidad funcional y taxonómica de los invertebrados acuáticos, mientras que influye positivamente en la β-diversidad. Los diferentes usos del suelo afectan predominantemente la α-diversidad. Además, la heterogeneidad del hábitat y los niveles elevados de nutrientes del agua dentro de la cuenca se correlacionan positivamente con la diversidad de invertebrados. Sin embargo, los efectos adversos de la sequía son menos pronunciados en las zonas boscosas río arriba, que muestran una mayor heterogeneidad del hábitat, en comparación con las regiones agrícolas río abajo. El Capítulo 2 identifica que las comunidades de los bancos de semillas y las hiporreicas representan hasta un 16% y un 40% de las comunidades bentónicas, respectivamente. Las métricas de diversidad varían entre tipos de comunidad en términos de riqueza taxonómica y funcional. Aunque no se puede establecer una relación clara para la diversidad o la abundancia de rasgos de resistencia con la duración de la fase seca, se observa una relación lineal negativa entre la abundancia de rasgos de resiliencia y la duración de la fase seca. El Capítulo 3 demuestra que las tasas de descomposición a través de la cuenca de estudio están negativamente relacionadas con la duración de la interrupción del flujo. El nitrógeno inorgánico disuelto asociado con la agricultura mitiga el impacto negativo de la sequía sobre la pérdida de masa, incrementándola hasta tres veces. Sin embargo, este efecto disminuye con fases secas más prolongadas. Un mayor recubrimiento del dosel, particularmente en áreas naturales, mejora el procesamiento de la MO. En resumen, la actividad agrícola moderada dentro de la pequeña cuenca de estudio puede mejorar la diversidad y el funcionamiento del ecosistema. Sin embargo, el aumento en la frecuencia y la duración de las fases secas debido al cambio global reducirá la disponibilidad de agua, exacerbando los impactos de las presiones humanas y amenazando las estrategias de supervivencia de la diversidad acuática. Esta tesis contribuye significativamente a la comprensión de las interacciones entre la sequía y los usos del suelo en el procesamiento de MO y la biodiversidad a través de una pequeña cuenca Mediterránea. Además, resalta la importancia de conservar los arroyos naturales y boscosos, especialmente en las cabeceras, como refugios potenciales en los IRES.