Analysis and synthesis of intermittent river biodiversity
Abstract
With climate change and the increasing water needs of human populations, many rivers, rich in biodiversity, are becoming intermittent. What is the influence of this phenomenon on the communities of animal and plant species living in these environments? The FRB-CESAB IRBAS team undertook to collect and analyze the relevant data to answer this question. Across the globe a large number of rivers periodically stop flowing. These rivers are called intermittent rivers. They are found in most terrestrial biomes, not only in arid zones, where they are relatively common. Studies show that over the next century, their numbers and size will increase in regions affected by droughts, notably caused by climate change. Intermittent rivers, however, have been little studied. Aquatic and terrestrial ecologists have long considered that they do not fall within their scope. It has also been assumed for some time that intermittent rivers harbored only a small amount of biodiversity and were inhabited only by poor communities of drought-resistant species. In recent years, ecological studies of intermittent rivers have developed, in part because of the severity of drying in areas where water requirements are being felt. Many countries now have data and metadata available on these intermittent rivers. While these studies have led to the recognition that intermittent rivers need to be protected for their biological values, current management practices, intermittent river protection policies and legislation are often inadequate or non-existent. Effective management of intermittent river systems requires knowledge of the relationships between river flow components (e.g. drought periods, floods, base flow) and ecological responses. This document summarizes, in just a few pages, the project’s context and objectives, the methods and approaches used, the main findings, and the implications for science, society, and both public and private decision-making. _____________________________________________________________________ Notre vision des rivières et des réseaux hydrographiques qu’elles forment se modifie actuellement avec le constat que beaucoup ne coulent en fait pas de manière continue toute l’année. En effet, de nombreuses rivières s’assèchent naturellement une partie de l’année, tandis que d’autres, qui étaient permanentes autrefois, s’arrêtent désormais de couler en réponse aux prélèvements en eau dont nous avons besoin et au réchauffement climatique. Aussi, ces rivières sont des juxtapositions dans le temps ou l’espace de milieux aquatiques et terrestres, et abritent des organismes aquatiques, terrestres et amphibies. Malgré cette caractéristique étonnante, nos connaissances autour de la biodiversité de ces écosystèmes restent limitées et très parcellaires. L’objectif du projet FRB-Cesab Irbas était de caractériser et de comprendre la biodiversité de ces rivières, en collectant, compilant et explorant les données actuelles disponibles dans le monde. Le groupe a réalisé des cartes montrant où se trouvent ces rivières, des modèles permettant de comprendre pourquoi elles s’y trouvent et si elles sont sujettes à des changements majeurs. Irbas a aussi tenté de comprendre quels sont les facteurs clés qui régissent la biodiversité à la fois aquatique et terrestre de ces écosystèmes et a déterminé des éléments concrets pour aider les gestionnaires des cours d’eau à les conserver et gérer. Ce document synthétise en quelques pages le contexte et les objectifs du groupe, les méthodes et approches utilisées, les principales conclusions ainsi que l'impact pour la science, la société, la décision publique et privée.
Full text
Project summary 1 CENTRE FOR THE SYNTHESIS AND ANALYSIS OF BIODIVERSITY CESAB IRBAS Analysis and synthesis of intermittent river biodiversity Principal Investigator: Thibault DATRY (IRSTEA) Start and finish: 2012-2015 Co-funding organization : With climate change and the increasing water needs of human populations, many rivers, rich in biodiversity, are becoming intermittent. What is the influence of this phenomenon on the communities of animal and plant species living in these environments? The IRBAS team undertook to collect and analyze the relevant data to answer this question. Context and objectives Across the globe a large number of rivers periodically stop flowing. These rivers are called intermittent rivers. They are found in most terrestrial biomes, not only in arid zones, where they are relatively common. Studies show that over the next century, their numbers and size will increase in regions affected by droughts, notably caused by climate change. Intermittent rivers, however, have been little studied. Aquatic and terrestrial ecologists have long considered that they do not fall within their scope. It has also been assumed for some time that intermittent rivers harbored only a small amount of biodiversity and were inhabited only by poor communities of drought-resistant species. In recent years, ecological studies of intermittent rivers have developed, in part because of the severity of drying in areas where water requirements are being felt. Many countries now have data and metadata available on these intermittent rivers.
2 While these studies have led to the recognition that intermittent rivers need to be protected for their biological values, current management practices, intermittent river protection policies and legislation are often inadequate or non-existent. Effective management of intermittent river systems requires knowledge of the relationships between river flow components (e.g. drought periods, floods, base flow) and ecological responses. Methods and approaches used for the project The CESAB activity brought together an international team of European, American, Australian and New Zealand researchers. Each contributed their biological, hydrological and environmental data on intermittent rivers, which the group compiled and analyzed. The biannual work sessions allowed us to exploit and analyze these databases in depth to produce new knowledge in river ecology. • Gauging stations compiled and analysed by the IRBAS group showing the occurrence of zero flow events during the year (the size of each symbol is proportional to the duration of the event). Key: dot = intermittent river; square = weakly intermittent river; cross = perennial river. Colours refer to the month in which there was no flow. A gauged river was “intermittent” when the mean number of zero-flow days in the 1970-2013 record was ≥ 5 days/year. Rivers with < 5 days/year but a strictly positive frequency of zero-flow days in their record are “weakly intermittent”. All other rivers were considered “perennial”. CESAB had the effect of an incubator for the IRBAS project. In 2016, the project became a European project H2020. Entitled ‘Science and Management of Intermittent Rivers and Ephemeral Rivers’, this project brings together more than 100 researchers and 20 stakeholders from 29 European countries to improve the management of intermittent rivers by converting the current state of knowledge into concrete tools. In addition, the project of the 1000 intermittent rivers - from the IRBAS project - aims, for its part, to compensate for the lack of data on intermittent rivers. This unique collaborative research network now brings together 120 researchers from 26 countries.
3 Proportion of species in twelve aquatic invertebrate communities of intermittent rivers located in contrasting contexts with either Resistance (RT) or Resilience (RL) traits, both or none. Following Leigh et al. (2016) Aquatic Sciences 78: 291-301.. Main conclusions • There is no clear trend towards increasing intermittency in the countries studied. Current hydrological classifications are greatly improved when drying out is taken into account. • Intermittent natural river communities are resilient to drying out through resistance and resilience strategies. • Aquatic communities in intermittent rivers are generally less diverse than in conventional rivers. • Intermittent river communities are dynamic. The current conceptual and empirical models in ecology are not suitable for their study. • Human societies derive many ecosystem services from intermittent rivers, such as recharge of aquifers or provision of water for livestock during droughts. • The presence of dewatering in hydrological regimes is a major determinant of the biodiversity of intermittent rivers. The data, obtained in Australia and South-West Europe over large spatial and temporal scales, revealed different and unexpected results. Indeed, the difference in species diversity between sites (beta diversity) and the drying time of rivers follow a bell-like relationship; in other words, the difference in site diversity is greatest when the drying time is intermediate, and minimal when the river is rarely or often dried out. If this result is true when all taxa are considered, this is not always the case when the dispersal capacity of the different species is taken into account. Studies have shown that species with high aquatic dispersal (such as some ephemera) follow this pattern well, but for species with high aerial dispersal (such as some beetles and dragonflies), the drying time of the rivers had no influence. This is because the dispersion of aquatic species, even the most robust ones, is constrained by the available water surface because of the low capacity of this group to extend beyond bridges and dams. Anticipated (or actual) impact of these results for science, society, and public and private decision making Conservation and restoration efforts of dynamic ecosystems, such as intermittent rivers, should take their unique nature into account in order to be effective. • The results of the IRBAS project made it possible to formulate
4 recommendations and guidelines for water managers. For example, under a Water Directive, ONEMA and the Water Agencies were able to draw on the results of IRBAS and advise on how and when to monitor the ecological status of intermittent rivers. • In order to support the decision, the IRBAS team wrote Intermittent Rivers and Ephemeral Streams: Science & Management, published in 2017 by Elsevier. The book should become a reference in the academic, managerial and decision-making spheres. • In order to encourage the scientific community to work on the theme of intermittent rivers and to pool existing data, the IRBAS team has created a web portal on a set of data synthesizing the biodiversity of intermittent rivers (irbas.cesab.org). By giving free access to this database, the objective is to encourage the development of large-scale research and synthesis on intermittent rivers. CONSORTIUM MEMBERS Thibault Datry (project coordinator), IRSTEA, Lyon, France / Catherine Leigh (postdoc), IRSTEA, Lyon, France / Nuria Bonada, Univ. Barcelona, Barcelona, Spain / Andrew Boulton, Univ. New England, Perth, Australia / Cliff Dahm, Univ. New Mexico, Albuquerque / Bernard Dumont, IRSTEA, Aix, France / Ken Fritz, US EPA, CIncinnati / Bernard Hugueny, MNHN/IRD, Lyon, France / Scott Larned, NIWA, Christchurch New Zealand / Eric Sauquet, IRSTEA, Lyon, France / Klement Tockner, IGB, Berlin, Germany. OTHER CONTRIBUTORS Bénédicte Augeard, ONEMA, Paris, France / Oscar Belmar, IRSTEA, Aix, France / Quitterie Blanchard, Irstea, Aix, France / Nuria Cid, Univ. Barcelona, Barcelona, Spain / Roland Corti, IGB, Berlin, Germany / Pierre Mancini, Irstea, Aix, France / Hervé Pella, IRSTEA, Lyon, France / Roche Philip, IRSTEA, Aix, France / Maria Sanchez-Montoya, IGB, Berlin, Germany.
Fiche résultat 1 CENTRE DE SYNTHÈSE ET D’ANALYSE SUR LA BIODIVERSITÉ CESAB IRBAS Analyse et Synthèse de la Biodiversité des Rivières Intermittentes Principal chercheur : Thibault DATRY (IRSTEA) Début et fin du projet : 2012-2015 Co-financeur : Avec le changement climatique et les besoins en eau croissants des populations humaines, de nombreuses rivières, riches en biodiversité, deviennent intermittentes. Quelle est l’influence de ce phénomène sur les communautés d’espèces animales et végétales vivant dans ces milieux ? L’équipe d’IRBAS a entrepris de rassembler et d’analyser les données pertinentes afin de répondre à cette question. Contexte et objectifs Dans le monde, un grand nombre de rivières cessent périodiquement de couler. Ces rivières sont appelées rivières intermittentes. Elles ne se situent pas seulement dans les régions arides, mais dans la plupart des biomes terrestres. Au siècle prochain, les études montrent que leurs nombres et leurs tailles vont augmenter dans les régions touchées par les sécheresses, notamment causées par le changement climatiques. Les rivières intermittentes, néanmoins, ont été peu étudiées. Les écologistes aquatiques et terrestres ont longtemps considéré qu’elles n’appartenaient pas à leur champ d’application. On a également supposé pendant un certain temps que les rivières intermittentes n’hébergeaient qu’une faible quantité de biodiversité et n’étaient habitées que par des communautés pauvres d’espèces résistant à la sécheresse. Ces dernières années, les études écologiques sur les rivières
2 intermittentes se sont développées, en partie à cause de la gravité des assèchements dans les régions ou les besoins en eau se font ressentir. Désormais, de nombreux pays disposent de données et de métadonnées disponibles sur ces rivières intermittentes. Si ces études ont conduit à reconnaitre qu’il fallait protéger les rivières intermittentes pour leurs valeurs biologiques, les pratiques actuelles de gestion, les politiques et la législation de protection des rivières intermittentes sont souvent inadéquates ou inexistantes. Une gestion efficace des régimes des rivières intermittentes nécessite la connaissance des relations entre les composants d’écoulement des rivières (par exemple, les périodes de sécheresse, les inondations, le débit de base) et les réponses écologiques. Méthode et approches utilisées pour le projet Le Cesab a permis de réunir une équipe internationale de chercheurs européens, américains, australiens et néo-zéalandais. Chacun a apporté ses données biologiques, hydrologiques et environnementales sur les rivières intermittentes, que le groupe a compilées et analysées. Les sessions de travail biannuelles ont permis d’exploiter et d’analyser en profondeur ces bases de données de produire des connaissances nouvelles en écologie des rivières. • Stations de jaugeage compilées et analysées pour IRBAS montrant l’occurrence des épisodes de cessation d’écoulement durant l’année. La taille de chaque symbole est proportionnelle à la durée de l’événement). Point = rivière intermittente; carré = rivière faiblement intermittente; croix = rivière pérenne. Les couleurs se réfèrent au mois où il n’y avait pas de flux. Une rivière mesurée était «intermittente» lorsque le nombre moyen de jours à débit nul entre 1970 à 2013 était ≥ 5 jours / an. Les rivières avec < 5 jours / an mais une fréquence strictement positive de jours à débit nul sont «faiblement intermittentes». Toutes les autres rivières sont considérées comme «pérennes». Le Cesab a eu l’effet d’un incubateur sur le projet IRBAS. En 2016, le projet est devenu un projet européen H2020. Intitulé Science et gestion des rivières intermit-
3 tentes et des cours d’eau éphémères, ce projet rassemble plus de 100 chercheurs et 20 intervenants de 29 pays européens pour améliorer la gestion des rivières intermittentes en convertissant l’état actuel des connaissances en outils concrets. Par ailleurs, le projet des 1000 rivières intermittentes - issu du projet IRBAS - vise, quant à lui, à compenser le manque de données sur les rivières intermittentes. Ce réseau de recherche collaboratif unique regroupe aujourd’hui 120 chercheurs de 26 pays. Proportion d’espèces dans une douzaine de communautés d’invertébrés aquatiques de rivières intermittentes situées dans des contextes contrastés présentant des traits de résistance (RT) ou de résilience (RL), les deux ou aucun. D’après Leigh et al.. (2016) Aquatic Sciences 78 : 291-301. Principales conclusions • Les rivières intermittentes représentent la moitié du réseau mondial des rivières, bien que leur répartition spatiale varie considérablement, notamment en période d’aridité. • Il n’y a pas de tendances claires à une augmentation de l’intermittence dans les pays étudiés. Les classifications hydrologiques actuelles sont nettement améliorées quand les assèchements sont pris en compte. • Les communautés des rivières intermittentes naturelles sont résilientes aux assèchements grâce à des stratégies de résistance et de résilience; • Les communautés aquatiques des rivières intermittentes sont généralement moins diversifiées que dans les rivières classiques. • Les communautés des rivières intermittentes sont dynamiques. Les modèles conceptuels et empiriques actuels en écologie ne sont pas appropriés pour leur étude. • Les sociétés humaines tirent de nombreux services écosystémiques des rivières intermittentes, comme la recharge des aquifères ou la provision d’eau pour le bétail durant les phases de sécheresse. • La présence d’assèchements dans les régimes hydrologiques est un déterminant majeur de la biodiversité des rivières intermittentes. Les données, obtenues en Australie et en Europe du Sud-Ouest sur de larges échelles spatiales et temporelles, ont révélé des résultats différents et inattendus. En effet, la différence de diversité d’espèces entre les sites (diversité bêta) et la durée d’assèchement des cours d’eau suivent une relation en cloche ; autrement dit, la différence de diversité entre les sites est maximale lorsque la durée d’assèchement est intermédiaire, et minime lorsque la rivière est rarement ou souvent asséchée.
4 Si ce résultat se vérifie lorsque l’ensemble des taxons est considéré, il n’en va pas toujours de même lorsque la capacité de dispersion des différentes espèces est prise en compte. Les études ont ainsi montré que les espèces à forte dispersion aquatique (comme certains éphémères) suivent bien ce schéma, mais pour ce qui est des espèces à forte dispersion aérienne (comme certains scarabées et libellules) la durée d’assèchement des rivières n’a pas d’influence. Cela s’explique par le fait que la dispersion des espèces aquatiques, même les plus robustes, est contrainte par la surface d’eau disponible du fait des mauvaises capacités de ce groupe à s’étendre au-delà des ponts et des barrages. Impact anticipé (ou actuel) de ces résultats pour la science, la société, la prise de décision publique et privée Les efforts de conservation et de restauration des écosystèmes dynamiques, tels que les cours d’eau intermittents, devraient tenir compte de leur nature unique pour être efficaces. • Les résultats obtenus par le projet IRBAS ont permis de formuler des recommandations et des lignes directrices aux gestionnaires de l’eau. Par exemple, dans le cadre d’une directive sur l’eau, l’ONEMA et les Agences de l’eau ont pu s’appuyer sur les résultats d’IRBAS et émettre des avis sur la façon et le moment de surveiller au mieux l’état écologique des rivières intermittentes. • Toujours pour appuyer la décision, l’équipe IRBAS a rédigé l’ouvrage Intermittent Rivers and Ephemeral Streams: Science & Management, publié en 2017 aux éditions Elsevier. L’ouvrage devrait devenir une référence dans les sphères académiques, managériales et décisionnelles. • Par ailleurs, afin d’encourager la communauté scientifique à travailler sur la thématique des rivières intermittentes et à mettre les données existantes en commun, l’équipe IRBAS a réalisé un portail web sur un ensemble de données synthétisant la biodiversité des rivières intermittentes (irbas.cesab.org) (Leigh et al., 2016). En laissant libre accès à cette base de données, l’objectif est d’inciter à développer les recherches et les synthèses à grande échelle sur les rivières intermittentes. MEMBRES DU CONSORTIUM Thibault Datry (coordinateur du projet), IRSTEA, Lyon, France (project coordinator) / Catherine Leigh (post-doctorante), IRSTEA, Lyon, France / Nuria Bonada, Univ. Barcelona, Barcelona, Spain / Andrew Boulton, Univ. New England, Perth, Australia / Cliff Dahm, Univ. New Mexico, Albuquerque / Bernard Dumont, IRSTEA, Aix, France / Ken Fritz, US EPA, CIncinnati / Bernard Hugueny, MNHN/IRD, Lyon, France / Scott Larned, NIWA, Christchurch New Zealand / Eric Sauquet, IRSTEA, Lyon, France / Klement Tockner, IGB, Berlin, Germany. AUTRES CONTRIBUTEURS Bénédicte Augeard, ONEMA, Paris, France / Oscar Belmar, IRSTEA, Aix, France / Quitterie Blanchard, Irstea, Aix, France / Nuria Cid, Univ. Barcelona, Barcelona, Spain / Roland Corti, IGB, Berlin, Germany / Pierre Mancini, Irstea, Aix, France / Hervé Pella, IRSTEA, Lyon, France / Roche Philip, IRSTEA, Aix, France / Maria Sanchez-Montoya, IGB, Berlin, Germany.