Climate change in Brazil: perspective on the biogeochemistry of inland waters

Although only a small amount of the Earth's water exists as continental surface water bodies, this compartment plays an important role in the biogeochemical cycles connecting the land to the atmosphere. The territory of Brazil encompasses a dense river net and enormous number of shallow lakes. Human actions have been heavily influenced by the inland waters across the country. Both biodiversity and processes in the water are strongly driven by seasonal fluvial forces and/or precipitation. These macro drivers are sensitive to climate changes. In addition to their crucial importance to humans, inland waters are extremely rich ecosystems, harboring high biodiversity, promoting landscape equilibrium (connecting ecosystems, maintaining animal and plant flows in the landscape, and transferring mass, nutrients and inocula), and controlling regional climates through hydrological-cycle feedback. In this contribution, we describe the aquatic ecological responses to climate change in a conceptual perspective, and we then analyze the possible climate-change scenarios in different regions in Brazil. We also indentify some potential biogeochemical signals in running waters, natural lakes and man-made impoundments. The possible future changes in climate and aquatic ecosystems in Brazil are highly uncertain. Inland waters are pressured by local environmental changes because of land uses, landscape fragmentation, damming and diversion of water bodies, urbanization, wastewater load, and level of pollutants can alter biogeochemical patterns in inland waters over a shorter term than can climate changes. In fact, many intense environmental changes may enhance the effects of changes in climate. Therefore, the maintenance of key elements within the landscape and avoiding extreme perturbation in the systems are urgent to maintain the sustainability of Brazilian inland waters, in order to prevent more catastrophic future events.

Embora apenas uma pequena quantidade de água da Terra esteja reservada em corpos d'água da superfície continental, esses ambientes desempenham papel importante nos ciclos biogeoquímicos, conectando a superfície à atmosfera. O território brasileiro é recortado por uma densa rede fluvial e exibe um enorme número de lagos rasos. Impactos de natureza humana têm sido intensos modificadores de ecossistemas límnicos. A biodiversidade e os processos ecossistêmicos são fortemente modulados por forças sazonais fluvial e/ou precipitação. Essas macroforçantes ecológicas respondem às mudanças climáticas. As águas interiores são ecossistemas com elevada biodiversidade, promovem transferências de energia dentro da paisagem, conectando os ecossistemas, e atuam na manutenção de fluxos de matérias - animais, vegetais, nutrientes e inóculos. Esses ecossistemas controlam o clima numa escala regional. Neste capítulo, são descritas algumas respostas dos ecossistemas aquáticos às alterações climáticas, tanto conceitualmente como analisando os possíveis cenários de mudanças climáticas em diferentes regiões no Brasil. Potenciais sinais biogeoquímicos em diferentes ecossistemas límnicos brasileiros foram identificados. Os ecossistemas límnicos são pressionados pelas atividades do uso do solo, pela fragmentação da paisagem, pelo represamento e pelo desvio de rios, pela urbanização, pela carga de águas residuais e do nível de poluentes. Essas ações perturbadoras podem alterar os padrões biogeoquímicos nas águas interiores numa escala temporal mais curta quando comparada às mudanças climáticas. A manutenção da sustentabilidade das ecossistemas aquáticos brasileiros é urgente de modo a prevenir futuros eventos catastróficos.

Climate change in Brazil: perspective on the biogeochemistry of inland waters / Mudanças climáticas no Brasil: perspectiva sobre a biogeoquímica de águas interiores

Although only a small amount of the Earth's water exists as continental surface water bodies, this compartment plays an important role in the biogeochemical cycles connecting the land to the atmosphere. The territory of Brazil encompasses a dense river net and enormous number of shallow lakes. Human actions have been heavily influenced by the inland waters across the country. Both biodiversity and processes in the water are strongly driven by seasonal fluvial forces and/or precipitation. These macro drivers are sensitive to climate changes. In addition to their crucial importance to humans, inland waters are extremely rich ecosystems, harboring high biodiversity, promoting landscape equilibrium (connecting ecosystems, maintaining animal and plant flows in the landscape, and transferring mass, nutrients and inocula), and controlling regional climates through hydrological-cycle feedback. In this contribution, we describe the aquatic ecological responses to climate change in a conceptual perspective, and we then analyze the possible climate-change scenarios in different regions in Brazil. We also indentify some potential biogeochemical signals in running waters, natural lakes and man-made impoundments. The possible future changes in climate and aquatic ecosystems in Brazil are highly uncertain. Inland waters are pressured by local environmental changes because of land uses, landscape fragmentation, damming and diversion of water bodies, urbanization, wastewater load, and level of pollutants can alter biogeochemical patterns in inland waters over a shorter term than can climate changes. In fact, many intense environmental changes may enhance the effects of changes in climate. Therefore, the maintenance of key elements within the landscape and avoiding extreme perturbation in the systems are urgent to maintain the sustainability of Brazilian inland waters, in order to prevent more catastrophic future events.

Embora apenas uma pequena quantidade de água da Terra esteja reservada em corpos d'água da superfície continental, esses ambientes desempenham papel importante nos ciclos biogeoquímicos, conectando a superfície à atmosfera. O território brasileiro é recortado por uma densa rede fluvial e exibe um enorme número de lagos rasos. Impactos de natureza humana têm sido intensos modificadores de ecossistemas límnicos. A biodiversidade e os processos ecossistêmicos são fortemente modulados por forças sazonais fluvial e/ou precipitação. Essas macroforçantes ecológicas respondem às mudanças climáticas. As águas interiores são ecossistemas com elevada biodiversidade, promovem transferências de energia dentro da paisagem, conectando os ecossistemas, e atuam na manutenção de fluxos de matérias - animais, vegetais, nutrientes e inóculos. Esses ecossistemas controlam o clima numa escala regional. Neste capítulo, são descritas algumas respostas dos ecossistemas aquáticos às alterações climáticas, tanto conceitualmente como analisando os possíveis cenários de mudanças climáticas em diferentes regiões no Brasil. Potenciais sinais biogeoquímicos em diferentes ecossistemas límnicos brasileiros foram identificados. Os ecossistemas límnicos são pressionados pelas atividades do uso do solo, pela fragmentação da paisagem, pelo represamento e pelo desvio de rios, pela urbanização, pela carga de águas residuais e do nível de poluentes. Essas ações perturbadoras podem alterar os padrões biogeoquímicos nas águas interiores numa escala temporal mais curta quando comparada às mudanças climáticas. A manutenção da sustentabilidade das ecossistemas aquáticos brasileiros é urgente de modo a prevenir futuros eventos catastróficos.

Temporal coherence among tropical coastal lagoons: a search for patterns and mechanisms

Temporal coherence (i.e., the degree of synchronicity of a given variable among ecological units within a predefined space) has been shown for several limnological features among temperate lakes, allowing predictions about the structure and function of ecosystems. However, there is little evidence of temporal coherence among tropical aquatic systems, where the climatic variability among seasons is less pronounced. Here, we used data from long-term monitoring of physical, chemical and biological variables to test the degree of temporal coherence among 18 tropical coastal lagoons. The water temperature and chlorophyll-a concentration had the highest and lowest temporal coherence among the lagoons, respectively, whereas the salinity and water colour had intermediate temporal coherence. The regional climactic factors were the main factors responsible for the coherence patterns in the water temperature and water colour, whereas the landscape position and morphometric characteristics explained much of the variation of the salinity and water colour among the lagoons. These results indicate that both local (lagoon morphometry) and regional (precipitation, air temperature) factors regulate the physical and chemical conditions of coastal lagoons by adjusting the terrestrial and marine subsidies at a landscape-scale. On the other hand, the chlorophyll-a concentration appears to be primarily regulated by specific local conditions resulting in a weak temporal coherence among the ecosystems. We concluded that temporal coherence in tropical ecosystems is possible, at least for some environmental features, and should be evaluated for other tropical ecosystems. Our results also reinforce that aquatic ecosystems should be studied more broadly to accomplish a full understanding of their structure and function.

A coerência temporal (i.e., o nível de sincronismo de uma dada variável ecológica entre unidades ecológicas) tem sido demonstrada para uma vasta gama de variáveis limnológicas em lagos de clima temperado, permitindo que predições sobre a estrutura e o funcionamento destes ecossistemas sejam realizadas. Entretanto, há pouca evidência da coerência temporal de variáveis limnológicas entre ecossistemas aquáticos tropicais, onde a variação climática é menos pronunciada entre as estações do ano. Neste estudo, utilizamos dados de longa duração do monitoramento de variáveis físicas, químicas e biológicas para testar a ocorrência de coerência temporal entre 18 lagoas costeiras tropicais. A temperatura da água e a concentração de clorofila-a apresentaram, respectivamente, a maior e a menor coerência temporal entre as lagoas, enquanto que a salinidade e a coloração da água apresentaram padrões intermediários. Fatores climáticos regionais foram os principais fatores responsáveis pelos padrões de coerência da temperatura e coloração da água, enquanto que a orientação em relação ao mar e as características morfométricas das lagoas explicaram boa parte da variação da salinidade e da coloração da água entre as lagoas. Estes resultados indicam que tanto fatores locais (morfometria) quanto regionais (precipitação, temperatura do ar) regulam as condições físicas e químicas das lagoas costeiras pela contribuição dos ecossistemas terrestre e marinho em uma escala da paisagem. Por outro lado, a concentração de clorofila-a é aparentemente limitada por condições locais específicas, resultando em um fraco padrão de coerência temporal entre as lagoas. Concluímos que a coerência temporal em ecossistemas tropicais é possível, pelo menos para algumas variáveis ambientais, e deve ser avaliada para outros ecossistemas. Nossos resultados também reforçam a ideia que ecossistemas aquáticos devem ser estudados em uma perspectiva mais ampla (e.g. de bacia de drenagem) para o completo entendimento da sua estrutura e funcionamento.

Neotropical coastal lagoons: an appraisal of their biodiversity, functioning, threats and conservation management

Neotropical coastal lagoons (NCL) are human-dominated ecosystems. Their distribution along densely populated coastal areas of developing countries makes these systems among the most threatened in the world. Here, we summarize some aspects of the causes and consequences of NCL biodiversity, their functioning, their importance to the surrounding populations, their fragility, and their responses to local and global anthropogenic impacts and the challenges that Neotropical countries face in conserving these systems. Although still scarce and geographically concentrated, a growing body of studies has shown that NCLs are physiographically diversified systems, which harbor a considerable and particular proportion of the Neotropical inland aquatic biodiversity. Despite the fact that coastal lagoons are ecotones that are intricately connected to surrounding environments, they develop mechanisms for structural and functional regulation, which confer to these systems higher productivity and carrying capacities than surrounding ecosystems. Such traits attract residential developments and subsidize local traditional populations with important economic and aesthetic ecosystem revenues such as fisheries and scenic beauty. However, the disorganized human occupation around NCLs are causing profound impacts such as eutrophication, salinization, exotic species introduction, as well as other effects, which are ultimately imposing major habitat degradations and biodiversity extirpations in NCLs. We argue that interdisciplinary conservation strategies, which integrate scientific expertise, government officials, private companies and the general public, are the most likely to overcome the geographic and economic obstacles to NCL conservation.

As lagoas costeiras neotropicais (LCN) estão inseridas em um ambiente antropogênico. Sua localização em regiões costeiras densamente povoadas de países em desenvolvimento coloca estes ecossistemas entre os mais impactados do mundo. Neste trabalho, resumimos vários aspectos relacionados às causas e conseqüências da sua biodiversidade, seu funcionamento e os bens proporcionados à população do seu entorno. Sua fragilidade e as respostas a impactos humanos locais e globais, assim como os desafios para a sua conservação por países neotropicais, também são abordados. Apesar de escassos e geograficamente concentrados, um número crescente de estudos tem mostrado que as LCN são sistemas fisiograficamente diversificados, abrigando uma proporção considerável da biodiversidade dos ambientes aquáticos continentais neotropicais. Apesar de as lagoas costeiras representarem ecótonos bastante conectados ao ambiente adjacente, elas desenvolveram mecanismos próprios de regulação funcional e estrutural, conferindo uma maior produtividade e capacidade de suporte em relação aos ambientes circundantes. Tais características estimulam o desenvolvimento humano ao seu redor e subsidiam populações tradicionais locais com benefícios econômicos e estéticos como pesca e beleza cênica. No entanto, a ocupação desordenada de regiões próximas às LCN vem causando profundos distúrbios como eutrofização, salinização, introdução de espécies exóticas e outros, os quais acarretam a degradação do hábitat e a perda de biodiversidade. Acreditamos que estratégias de conservação multidisciplinares, que integrem conhecimento científico, órgãos governamentais, companhias privadas e opinião pública, são as mais indicadas para sobrepor os obstáculos geográficos e econômicos impostos à conservação das LCN.