Assessing the impact of damming on river fishes: going beyond taxonomy

Abstract

Freshwater ecosystems have been severely affected by the expansion of human development in the last century. Freshwater biodiversity is consequently in sharp decline due to increased demand over limited water resources. Degradation and loss of ecosystem services, as well as financial consequences of ecological freshwater problems are creating pressure for a change in attitude from governments and stakeholders concerning strategies for conservation management. Damming is one of the major causes of ecological change in rivers associated with human development. Knowledge of their impact on freshwater ecosystems has been mostly described from the perspective of taxonomic changes. However, this approach provides little information about biological function. Alternative and simpler ways to assess the impact of damming are crucial since the constructions of dams are in expansion, especially in tropical regions where the lack of taxonomical and ecological knowledge about fish species impose an obstacle to effective mitigation measures. A trait-based approach holds the promise to increase our mechanistic understanding of biological responses to disturbed habitats; it transcends taxonomy and it can be applicable across large geographic units. Fishes have a history as biological indicators of environmental quality. They are useful for testing new approaches as their responses to varied anthropogenic disturbances are relatively well documented and their sensitivities to the health of surrounding aquatic environments form one of the basis to monitor environmental degradation. The usage of fish traits as an alternative approach to assess impacted rivers is presented in a critical review where their potential advantages over traditionally used methods are discussed as well as their challenges. The aim of this study was to assess the impact of damming on fish fauna after dam closure using taxonomic and trait-based approaches. The experimental design considered both spatial – the longitudinal gradient from Upstream to Downstream caused by reservoir formation – and temporal - before, after a short time period and after at least five years of dam closure - effects of damming in rivers. The first case study was conducted on the Tocantins River in Brazil, where the hydroelectric dam Peixe Angical was constructed. It included three parts: (i) a first approach using the traditional taxonomic metrics which confirmed the evidence from other Neotropical rivers of an increase in species richness and abundance immediately after the filling phase and a reduction after only five years, when communities contracted to a level of diversity below that observed prior to dam closure; (ii) an alternative analysis using simple descriptors of community organization (Abundance Biomass Curves and Species Abundance Distributions) which showed a clear impact on the structure of fish assemblages and were more informative than traditional diversity indices; (iii) the application of a species-trait approach which showed that after five years of dam closure opportunistic strategies (e.g., non-migratory; no parental care) appeared to be more successful under the changed conditions. Long-distance migratory, benthic, detritivore and species with parental care were the most negatively affected. Despite the limitations inherent to the study of this particular fish community (e.g., the lack of knowledge on specific traits categories that might also mediate the response of fish communities to the impact of damming) these results demonstrated that beyond a loss of species richness there is a change in the functional structure of fish communities associated with anthropogenic disturbance. The second case study was conducted in Oldman River in Alberta, Canada where the Oldman River Dam was constructed for irrigation purposes. Integrating taxonomic and trait-based approaches was found to be more informative in a temporal-spatial context of change. Biomonitoring plans should explicitly consider longitudinal spatial gradients created by reservoir formation in their implementation and related management actions. Overall, information is given to identify specific features that should be considered in the assessment and biomonitoring of impacted freshwater systems using fish communities for the application of true ecologically oriented river management.

Os ecossistemas fluviais têm sido severamente afetados pelo desenvolvimento e expansão antropogénicos verificados durante o último século. Consequentemente, a sua biodiversidade sofreu um declínio significativo devido ao aumento das necessidades humanas sobre recursos fluviais limitados. A degradação e perda de serviços de ecossistemas, assim como as consequências financeiras causadas pelo crescente impacto ecológico estão a criar uma necessidade de mudança de atitude por parte dos governos e principais intervenientes no que diz respeito às estratégias para a gestão e conservação dos ecossistemas fluviais. A construção de barragens é considerada como uma das maiores causas de alterações ecológicas nestes ecossistemas associada ao desenvolvimento humano. A investigação sobre o impacto de barragens em rios tem sido realizada essencialmente através de uma perspetiva baseada em alterações taxonómicas. Esta abordagem, apesar de informativa, não tem em consideração alterações em funções biológicas. Abordagens mais simples e alternativas são assim necessárias uma vez que a construção de barragens encontra-se em expansão, principalmente em regiões tropicais onde a falta de conhecimento sobre a taxonomia e ecologia das espécies de peixes constituem um obstáculo à aplicação de medidas de mitigação efetivas. A análise baseada em atributos funcionais é promissora, na medida em que poderá contribuir para o conhecimento mecanístico das respostas biológicas às alterações de habitats, transcende a taxonomia e pode ser aplicada numa escala geográfica abrangente. Os peixes são historicamente utilizados como indicadores biológicos de qualidade ambiental. São úteis para testar novas formas de abordar o impacto das barragens uma vez que as suas respostas às alterações antropogénicas estão relativamente bem documentadas e a sua sensibilidade para a qualidade do ambiente aquático que os rodeia é utilizada como uma das bases da monitorização da degradação ambiental. A utilização de atributos biológicos como uma abordagem alternativa à análise dos efeitos conjuntos das barragens e das alterações climáticas são apresentadas em forma de um artigo de revisão onde são abordados as suas principais vantagens sobre os métodos tradicionais baseados em métricas taxonómicas, assim como as suas principais limitações. O principal objetivo deste estudo foi analisar o impacto de barragens em comunidades de peixes através de métodos taxonómicos e atributos biológicos. O desenho experimental considerou dois aspetos fundamentais: espacial - criação de um gradiente longitudinal de montante para jusante da barragem; e temporal - antes do início de funcionamento da barragem, após um curto período de tempo (entre 1 a 5 anos) e a partir dos 5 cinco anos de funcionamento. O primeiro caso de estudo foi conduzido no Rio Tocantins, Brasil, onde a barragem hidroelétrica de Peixe Angical foi construída e incluiu três partes: (i) análise através de métodos taxonómicos que confirmaram as evidências observadas em outras barragens Neotropicais de um aumento significativo da riqueza específica e abundância no ano imediatamente a seguir ao enchimento do reservatório, seguido por um declínio acentuado após apenas 5 anos, quando as comunidades apresentaram um nível de diversidade inferior ao registado antes do funcionamento da barragem; (ii) abordagem alternativa através de descritores simples de organização (ex., Curvas de Biomassa e Abundância) que demonstrou um impacto evidente na estrutura das comunidades, mostrando-se mais informativos relativamente aos indicies de diversidade tradicionais e que assumem uma mais-valia em regiões tropicais onde a aplicação de metodologias tracionais de biomonitorização são dificultadas pela falta de conhecimento sobre as espécies; (iii) análise através de atributos biológicos de peixes que demonstrou após 5 anos de funcionamento da barragem que espécies com características oportunistas (ex.: não-migratórias; sem cuidados parentais) são mais bem-sucedidas em oposição a espécies migratórias, betónicas, detritívoras e que apresentam cuidados parentais. Apesar de algumas limitações inerentes a esta comunidade de peixes em particular (ex.: falta de conhecimento sobre muitos atributos biológicos que possam estar relacionados com a sua resposta face à barragem) os resultados obtidos demonstram que para além de uma perda de espécies, ocorreu uma alteração da estrutura funcional das comunidades de peixes associada às alterações antropogénicas. O segundo caso de estudo foi conduzido no Rio Oldman em Alberta, Canada, onde foi construída uma barragem para efeitos de irrigação. Os resultados demonstraram que integrar as duas perspectivas diferentes (taxonómica e funcional) constitui uma vantagem. Planos de biomonitorização futuros devem considerar expressamente o gradiente longitudinal formado pela presença da barragem. No cenário global são fornecidas informações que identificam características específicas que devem ser consideradas na avaliação e na biomonitorização de rios impactados por barragens através da utilização de comunidades de peixes para a aplicação numa gestão fluvial verdadeiramente ecológica.