Macroinvertebrate traits as biomonitoring tools in agricultural scenarios

Abstract

Os ecossistemas de água doce – responsáveis por funções ambientais importantes e pelo fornecimento de bens e serviços insubstituíveis – têm vindo a ser severamente afectados por perturbações antropogénicas. A conversão de floresta em terreno agrícola afecta os sistemas aquáticos através de uma série de mecanismos: sedimentação; excesso de nutrientes; contaminação; alterações hidrológicas; e remoção de vegetação ripícola. As comunidades de macroinvertebrados de água doce – devido à sua diversidade, ubiquidade e sensibilidade às perturbações ambientais – revelam-se como particularmente adequadas para estudos de avaliação da integridade ecológica destes sistemas expostos simultaneamente a múltiplos factores de impacto. O uso sistemático de respostas biológicas para avaliação de mudanças ambientais – ou biomonitorização – pode ser levado a cabo através de diversas metodologias, que, de uma forma geral, não consideram aspectos funcionais das comunidades biológicas e têm aplicabilidade geograficamente restrita. A biomonitorização através de atributos biológicos (características que reflectem a adaptação das espécies ao seu meio ambiente) revela-se como uma ferramenta promissora na resolução dos problemas referidos, apresentando vantagens adicionais: relações causa-efeito directas; melhoria na diferenciação de impactos; e integração da variabilidade natural. O presente estudo apresenta uma revisão critica do estado-da-arte actual na área do uso de atributos biológicos em biomonitorização. Até à data de publicação, não estava disponível nenhum outro trabalho com a base conceptual do uso de atributos de macroinvertebrados enquanto descritores de comunidades e para efeitos de biomonitorização e gestão de sistemas de água doce. Descrevem-se as teorias ecológicas de suporte destas metodologias (conceitos de habitat-molde e de filtros paisagísticos) e os estudos que aplicaram estas teorias em cenários reais, tendo-se chamado a atenção para questões técnicas e possíveis soluções. As necessidades futuras nesta área englobam: o desenvolvimento de uma só ferramenta de biomonitorização de aplicação alargada; uma maior compreensão da variabilidade natural nas comunidades biológicas; diminuição dos efeitos de soluções de compromisso biológico e sindromas; realização de estudos autoecológicos adicionais; e detecção de impactos específicos em cenários de impacto complexos. Um dos objectivos deste estudo foi contribuir para a melhoria das técnicas de biomonitorização através de atributos, focalizando em comunidades de macroinvertebrados ribeirinhas em diferentes regiões biogeográficas (as bacias hidrográficas dos rios: Little e Salmon em New Brunswick, Canadá; Anllóns na Galiza, Espanha; Reventazón em Cartago, Costa Rica). Em cada região, foram estudados gradientes de uso agrícola de solo, incluindo desde bacias hidrográficas quase exclusivamente cobertas por floresta até bacias sob a influência maioritária de actividades agrícolas intensivas. Em cada gradiente de uso de solo, a caracterização da comunidade biológica (por amostragem de macroinvertebrados em troços de rápidos) foi acompanhada pela caracterização do habitat circundante (incluindo propriedades da bacia hidrográfica, análise química das águas e outras propriedades à escala local). A comunidade de macroinvertebrados foi caracterizada através de informação taxonómica, métricas estruturais, índices de diversidade, métricas de tolerância, índices bióticos e através da compilação de atributos biológicos e fisiológicos gerais, de história de vida e de resistência a perturbações. Análises estatísticas univariadas e multivariadas foram usadas para evidenciar os gradientes biológicos e físico-químicos, confirmar a sua co-variação, testar a significância da discriminação de níveis de impacto e estabelecer comparações inter-regionais. A estrutura de comunidades revelou os complexos gradientes de impacto, que por sua vez co-variaram significativamente com os gradientes de uso de solo. Os gradientes de impacto relacionaram-se sobretudo com entrada de nutrientes e sedimentação. Os gradientes biológicos definidos pelas medidas estruturais seleccionadas co-variaram com os gradientes de impacto estudados, muito embora apenas algumas variáveis estruturais tenham individualmente discriminado as categorias de uso de solo definidas a priori. Não foi detectada consistência nas respostas das medidas estruturais entre regiões biogeográficas, tendo-se confirmadado que as interpretações puramente taxonómicas de impactos são difíceis de extrapolar entre regiões. Os gradientes biológicos definidos através dos atributos seleccionados também co-variaram com os gradientes de perturbação, tendo sido possível obter uma melhor discriminação de categorias de uso de solo. Nas diferentes regiões, a discriminação de locais mais impactados foi feita com base num conjunto similar de atributos, que inclui tamanho, voltinismo, técnicas reproductivas, microhabitat, preferências de corrente e substrato, hábitos alimentares e formas de resistência. Este conjunto poderá vir a ser usado para avaliar de forma predictiva os efeitos das modificações severas de uso de solo impostas pela actividade agrícola. Quando analisadas simultaneamente através dos atributos, as comunidades das três regiões permitiram uma moderada mas significativa discriminação de níveis de impacto. Estas análises corroboram as evidências de que as mudanças nas comunidades de macroinvertebrados aquáticos em locais sob a influência de agricultura intensiva podem seguir uma trajectória convergente no espaço multidimensional, independentemente de factores geográficos. Foram fornecidas pistas para a identificação de parâmetros específicos que deverão ser tidos em conta no planeamento de novos programas de biomonitorização com comunidades de macroinvertebrados bentónicos, para aplicação numa gestão fluvial verdadeiramente ecológica, nestas e noutras regiões. Foram ainda sugeridas possíveis linhas futuras de investigação.

Freshwater ecosystems - engineers of environmental functions and important providers of irreplaceable goods and services - are being severely affected by anthropogenic perturbations. The conversion of forested land to agriculture is affecting these aquatic systems through a series of mechanisms: sedimentation; nutrient enrichment; contaminant input; hydrologic alteration; and riparian clearing. Freshwater macroinvertebrate communities, being diverse, widespread, and sensitive to environmental perturbation, are particularly interesting for the ecological integrity assessment of those aquatic systems affected by such a multitude of stressors. Biomonitoring - the systematic use of biological responses to evaluate environmental changes - can be undertaken through diverse methodologies. But these do not usually consider the functional intricacies of biological communities and are geographically constrained. Biomonitoring through sets of biological traits (characteristics that reflect species adaptation to their environment) appears as a promising tool to overcome these issues, offering a series of other advantages: direct causal relationships with stressors; better differentiation of impacts; and integration of natural fluctuations. In this study, the current state-of-the-art of the usage of biological traits in biomonitoring is presented in a critical review of the existing published literature. Until publication date, no such work was available to provide freshwater ecologists with the conceptual underpinning for the use of traits as community descriptors and for freshwater biomonitoring and management. The support from ecological theory (the habitat templet concept and the landscape filtering hypothesis) was reviewed and studies applying this knowledge under real scenarios were presented. Technical issues were addressed and solutions proposed. Specific future needs are: a broader unified trait biomonitoring tool; more accurate understanding of the natural variation of community patterns; approaches to deal with trait trade-offs and syndromes; additional life history and ecological requirement studies; and the detection of specific impacts under multiple stressor scenarios. The aim was to address the improvement of biomonitoring through traits, focusing on freshwater macroinvertebrate communities from streams of different biogeographic regions (in the Little and Salmon River, New Brunswick, Canada; Anllóns River, Galicia, Spain; Upper Reventazón River, Cartago, Costa Rica) spanning comparable gradients from low (watersheds with percentages of forest cover >75%) to high agricultural land use intensity. In each land use gradient, the characterization of the biological community (by macroinvertebrate kick sampling in riffle areas) was accompanied by the characterization of the surrounding habitat (watershed scale properties, water chemistry and other reach scale properties). The macroinvertebrate community was characterized through taxonomic information, structural metrics, diversity indices, tolerance metrics, biotic indices and through the attribution of traits reflecting general biological and physiological features, life history and resistance to disturbance. Univariate and multivariate statistical data analyses were used to highlight biological and physico-chemical gradients, confirm their co-variation, test the significance of impact level discrimination and establish interregional comparisons. Community structure was used to reveal complex impact gradients, that significantly covaried with watershed agricultural land use gradients. These 14 impact gradients were mostly related with nutrient input and sedimentation. The biological gradients defined by selected structural measures co-varied with the disturbance gradients, although few structural variables individually discriminated the a priori defined land use categories. No consistency in the responses of the structural measures across biogeographic regions was detected. It was therefore confirmed that pure taxonomic interpretations of potential impacts are difficult to extrapolate between regions. The biological gradients defined by the selected traits also co-varied with the disturbance gradients and an improved discrimination of land use categories was obtained. Across regions, a similar set of traits discriminated higher impact sites, including size, voltinism, reproductive techniques, microhabitat, current and substrate preferences, feeding habits and resistance forms. This set could be further studied and used to predictably assess the effects of severe land uses changes posed by agricultural scenarios. When analyzed simultaneously using traits, the communities of the three regions allowed a moderate but significant discrimination of impact levels. These analyses support the evidence that freshwater macroinvertebrate community shifts in sites impacted by intensive agriculture may follow convergent trajectories in multi-dimensional space, regardless of geography. Overall, clues were given to identify specific features that should be considered in the design of future freshwater biomonitoring programs using benthic macroinvertebrate communities for application in true ecologically oriented river management in these and other regions. Future research needs were also suggested.