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The role of water level fluctuations in the promotion of phytoplankton and macrophyte pioneer species in a tropical reservoir in the Brazilian semiarid
Maciel Barros Lima, Débora
In the semiarid northeast Brazil, water paucity instigates multiple uses of reservoirs, such as hydropower production, drinking water supply, water supply for livestock and for irrigation, fisheries, aquaculture and leisure activities. As consequence of high anthropogenic pressure, most reservoirs in this region are fragile and eutrophicated systems. Blooms of algae and macrophytes are commonly registered, impacting water quality, water supply, biodiversity, among others. Knowledge on limnic processes underlying phytoplankton and macrophyte blooms in semiarid reservoirs is still scarce but necessary for restoration of such deteriorated waterbodies. In Itaparica reservoir, São Francisco River, Northeast Brazil, intense land and water uses (e.g. nutrient load from watershed and surrounding irrigation agriculture, water level fluctuations due to hydropower production) exert high pressure on aquatic functions and blooms of toxic cyanobacteria (such as Cylindrospermopsis raciborskii, Microcystis sp.) and macrophytes (Egeria densa) have been reported. Under this context, the present work aimed firstly at determining the ecological processes driving cyanobacteria and E. densa blooms considering climate, hydrology and morphometric characteristics of the reservoir. Such understanding was essential for the second aim of this study, which consisted in defining appropriate management measures to avoid massive development of such species.
In the main stream of Itaparica reservoir, phytoplankton abundance is controlled mainly by high water discharge rates (~2000 m³ s-1) applied for hydropower production. This is particularly important during warm rain season, when high loads of organic matter enter the reservoir and together with stratification of the water column, maintain algae density at moderate levels (max. 4.4 x 104 Org. mL-1). Internal fertilization plays also a crucial role in this reservoir, as in the end of rain season isothermal conditions (in combination with water level rise and residence time increase), promoted high diatoms development (max. 6.6 x 105 Org. mL-1). During dry season, nutrients availability gradually subsided and concurrently phytoplankton density (max. 8.2 x 103 Org. mL-1 in the end of dry season). High water flow rates also seem to prevent cyanobacteria development, as their density was not prevalent in the main stream of Itaparica reservoir. In a drought scenario, higher water retention times increases the risk of cyanobacteria blooms, considering that C. raciborskii presence was steady throughout the study period (2007-2010).
In the hydrodynamically isolated Icó-Mandantes bay, the cyanobacteria C. raciborskii developed more frequently, with extended effects. Here, the risk of cyanobacteria blooms seems to be regulated by additional drivers. In this shallow bay, the macrophyte Egeria densa is widely distributed along the bay down to 6-8 m water depth in dense mats. E. densa biomass is a significant nutrients storage in the system. P availability for phytoplankton is affected by the macrophyte growth regime related to water level fluctuations (WLF). Egeria densa massive stands result from traits like fast growth rate, light limitation tolerance and high affinity for water N, P and DIC, which allow a fast and outcompeting growth when water level rises. On the contrary, water level drawdown leads to E. densa stands decay, and nutrients availability for algae and cyanobacteria. C. raciborskii, diazotrophic and well adapted to P pulses, successfully develops in such conditions. Hence, WLF alternately provide opportunity windows for the pioneer species E. densa and C. raciborskii to develop. Enhanced nutrient load by desiccated sediments rewetting comprise a surplus of at least 50 % and 170 % of P and N, respectively, in comparison to reservoir water. Moreover, the seasonal decay of littoral communities decreases biodiversity, which further foment outbreaks of pioneer species.
Considering the value of water in semiarid northeast Brazil, oligotrophication of this reservoir is very important for maintaining water quality. For that, constant water level, buffer biotopes construction and Egeria densa harvesting were the main three measures proposed in this work to improve ecosystem services of Itaparica reservoir.
Im semi-ariden Nordosten Brasiliens führt die begrenzte Wasserverfügbarkeit zur mehrfachen Nutzung von Stauseen (u.a. für Wasserkraft, Trinkwasserversorgung, Bereitstellung von Wasser für Viehzucht und Bewässerung, Fischerei, Aquakultur und Freizeit-Aktivitäten). Als Folge der starken anthropogenen Belastungen sind die meisten Stauseen dieser Region durch Eutrophierung gefährdet. Algenblüten und Makrophyten-Massenentwicklungen beeinflussen u.a. die Wasserqualität, die Wasserversorgung sowie die Biodiversität. Das Wissen über die limnischen Prozesse, die die Phytoplankton- und Makrophyten-Massenentwicklungen in semi-ariden Stauseen auslösen, ist noch gering. Im Itaparica Stausee, São Francisco Fluss, Nordost Brasilien, führt die intensive Land- und Gewässernutzung (d. h. Nährstoffeintrag aus dem Wassereinzugsgebiet und der Landwirtschaft, Wasserspiegelschwankungen aufgrund von Wasserkraftnutzung) starken Druck auf die aquatischen Ökosystemfunktionen aus. Massenentfaltungen von toxischen Cyanobakterien (Cylindrospermopsis raciborskii, Microcystis sp.) und Makrophyten (E. densa) werden berichtet, und Focus dieser Arbeit ist die für das Auftreten von Cyanobakterien und Egeria densa maßgeblichen ökologischen Prozesse unter Einbeziehung von Klima, Hydrologie und Morphometrie des Stausees zu identifizieren. Das Verständnis dieser Prozesse ist essentiell für das Ziel dieser Studie, die Konzeption geeigneter Management Maßnahmen zur Verhinderung der unerwünschten Spezies.
Im Hauptstrom des Itaparica Stausees wird die Phytoplankton-Konzentration im Wesentlichen durch hohe Abflüsse (~2000 m³ s-1) bestimmt. Dies ist insbesondere in der warmen Regenzeit von Bedeutung, während der hohe Frachten organischen Materials in den Stausee eingetragen werden; das Niveau der Phytoplankton-Konzentration ist jedoch aufgrund der Schichtung des Wassers moderat (max. 4.4 x104 Org. mL-1). Die interne Düngung spielt eine signifikante Rolle, da am Ende der Regenzeit isotherme Bedingungen (Durchmischung) gemeinsam mit hohen Wasserspiegeln und entsprechend hohen Aufenthaltszeiten ein starkes Diatomeen-Wachstum hervorrufen (max. 6.6 x 105 Org. mL-1). Während der Trockenzeit nimmt die Nährstoffverfügbarkeit kontinuierlich ab. Im Hauptstrom des Itaparica-Stausees wurden keine massenhaften Entwicklungen von Cyanobakterien gefunden, was darauf hinweist, dass hohe Abflussraten ihre Entwicklung verhindern. Während des gesamten Untersuchungszeitraums (2007-2010) wurde jedoch C. raciborskii nachgewiesen, und somit besteht während der Trockenzeit aufgrund der längeren Aufenthaltszeit im Stausee ein erhöhtes Risiko für Blaualgenblüten.
In der hydrodynamisch weitgehend isolierten Bucht Icó-Mandantes entwickelte sich C. raciborskii aufgrund der langen Aufenthaltszeit häufiger und über ausgedehnte Zeiträume. Die über den Jahresverlauf schwankenden Blaualgenblüten scheinen jedoch weiteren Einflussfaktoren unterworfen zu sein. Die Wasserpflanze E. densa ist in der flachen Bucht weit verbreitet und wächst bis zu einer Wassertiefe von 6-8 m in dichten Matten; sie stellt einen signifikanten Nährstoffspeicher im System dar. Die P-Verfügbarkeit für Phytoplankton ist stark abhängig vom Makrophyten-Wachstum und den damit verbundenen Wasserspiegelschwankungen. Das massenhafte Vorkommen von E. densa wird gefördert durch eine schnelle Vermehrungsrate, Toleranz gegen Lichtlimitierung und eine hohe Affinität für N, P und DIC. Bei einem Anstieg des Wasserspiegels führt dies zu einem Konkurrenzvorteil und einem entsprechend schnellem Wachstum. Ein Absinken des Wasserspiegels bewirkt ein Absterben von E. densa und damit zu einer Zunahme der Nährstoffverfügbarkeit für Algen. Das diazotrophe und gut an P-Stöße angepasste C. raciborskii kann sich unter diesen Bedingungen erfolgreich entwickeln. Nach Regenereignissen bzw. Aufstau des Gewässers finden verstärkt Nährstoffeinträge durch Mineralisierung der trockenen litoralen Sedimente und der abgestorbenen E. densa Bestände statt.
Die Einhaltung eines möglichst konstanten Wasserspiegels, die Errichtung von Ausgleichs-Biotopen und die gezielte Entfernung von E. densa werden als Gewässermanagement empfohlen, um die ökosystemaren Dienstleistungen des Itaparica Stausees zu verbessern.
