Effects of flow regulation, land-use changes and temperature on stream ecosystem functioning

Résumé

The central idea of this thesis is that environmental factors, most of them modulated by human activities, can affect structural and functional properties of headwater forested streams. We focused the thesis on three specific impacts or variables: 1) flow regulation by small surface release dams, 2) land-use changes related to pine plantations and 3) temperature. We tried to test if these factors can condition decomposition of organic matter (functioning), assessed through the study of leaf-litter processing experiments, and biotic communities (structure), with special emphasis on the study of macroinvertebrates and aquatic hyphomycetes.In the first chapter we observed that flow regulation changed the trophic structure of the macroinvertebrate communities, being detritus consumers, mainly shredders, principally affected. This alteration helped to explain the affection on leaf-litter decomposition and was related to a reduction of the trait diversity of shredders. In the second chapter we ratified that regardless of the stream, nitrogen content of leaf-litter was observed to be able to stimulate the processing rates of leaves. This suggested that detritus quality can determine the structure of the community of consumers. We tested this idea in the third chapter in which we focused on the effects of pine plantations on macroinvertebrate communities and leaf-litter decomposition. The replacement of native deciduous forest by pine plantations altered the structure of macroinvertebrate community, being shredders the most affected, with lower richness, diversity and density in streams under monocultures. This affection helped explain the reduced leaf-litter processing capability of pine streams.In the fourth chapter we specifically addressed the differences in body mass distribution between streams receiving native deciduous leaves and pine needles. We ratified that body size distribution of shredders was altered by the difference in resource inputs, being the smallest individuals more affected than the biggest ones. We attribute this difference to a single trait, pine needles toughness, which can limit the accessibility of small individuals to this resource.Finally, in the fifth chapter, we tested the effects of temperature on leaf litter decomposition mediated by microbial activity and on the performance of fungal assemblages colonizing the material in streams. The temperature enhanced leaf-litter processing rates and influenced spore production. Moreover, the fungal assemblages differed among temperature regimes, being the assemblages adapted to cold environments the most affected by the temperature variation.This thesis proves that the studied modifications of environmental factors alter forested stream functioning due to changes in structure and/or activity of biotic communities.La idea central de esta tesis es que los factores ambientales, la mayoría de ellos modulados por actividades humanas, pueden afectar las propiedades estructurales y funcionales de los ríos forestados de cabecera. La tesis se centra en tres impactos o variable: 1) la regulación fluvial por pequeñas presas, 2) cambios en el uso del suelo relacionados con las plantaciones de pino y 3) la temperatura. Intentamos evaluar si estos factores pueden condicionar la descomposición de materia orgánica (funcionamiento), a través del estudio de experimentos de procesado de hojarasca, y comunidades bióticas (estructura), con especial énfasis en el estudio de macroinvertebrados e hifomicetos acuáticos.En el primer capítulo observamos que la regulación fluvial altera la estructura trófica de las comunidades de invertebrados, siendo los consumidores de detritus los más afectados. Esta alteración ayuda a explicar la afección sobre la descomposición de la hojarasca. En el segundo capítulo ratificamos que la calidad de la hojarasca, indicada por la concentración de nitrógeno, controla el procesado de hojarasca en río, a través de la diferente colonización de los fragmentadores, siendo más determinante de la tasa de descomposición que la variabilidad de los factores entre ríos. Esto sugiere que la calidad del detritus puede determinar la estructura de la comunidad de consumidores. Esta idea fue evaluada en el tercer capítulo, el cual se centraba en los efectos de las plantaciones de pino sobre las comunidades de invertebrados y la descomposición de la hojarasca. Estas plantaciones alteran la estructura de las comunidades de invertebrados, siendo los fragmentadores los más afectados. Esta afección ayuda a explicar la reducción de la capacidad descomponedora de los ríos bajo pinares. En el capítulo cuarto se estudió las diferencias en la distribución de tamaños de los invertebrados entre ríos que reciben hojas nativas caducifolias y los que reciben acículas de pino. Se ratificó que la distribución de tamaños de los fragmentadores estaba alterada por las diferencias en las entradas del recurso, siendo los organismos de menor tamaño los más afectados. Estas diferencias fueron atribuidas a la dureza de las acículas de pino, la cual limita el acceso de los organismos más pequeños a este recurso. Finalmente, en el quinto capítulo, se evaluaron los efectos de la temperatura sobre la descomposición de la hojarasca mediada por la actividad microbiana y sobre la estructura de las comunidades de hifomicetos acuáticos que colonizan la hojarasca. La temperatura potenció la tasa de procesado de la hojarasca e influenció la producción de esporas. Además, las comunidades fúngicas diferían entre regímenes térmicos, siendo las comunidades adaptadas a los ambientes más fríos las más afectadas por el aumento de la temperatura.Esta tesis prueba que las modificaciones de los factores ambientales estudiadas alteran el funcionamiento del ecosistema fluvial debido a cambios en la estructura y/o actividad de las comunidades bióticas.