A contribution for the limnological knowledge of basaltic knickzones

Abstract The knickzones are defined as locally steep riverbed segments, such as a convex reach in a concave-up longitudinal profile. They are worldwide distributed and geologically well studied, but despite their distinctiveness as a particular kind of macrohabitat there is a notorious lack of ecological knowledge. In this context, this research proposal aims to provide a physical description, in terms of kind of habitats, and a limnological characterization of a basaltic knickzone. Information is based on a case study carried out in the Sapucaí-Mirim River, Southeast Brazil. Samplings were performed in three different habitats well represented in the knickzone (runs, riffles and pools) during rainy and dry conditions. A clear discrimination in terms of habitat type and seasonality was demonstrated through a principal component analysis. Pools exhibited higher amplitude of variation for most limnological parameters when compared to runs and riffles, probably due to a great influence of the internal metabolism (photosynthetic production and community respiration). Despite of their geological ancient formation and the little understanding of their ecological role, the knickzones are in imminent threat in several regions of the world by hydropower dams implementation. The lack of ecological information on knickzones is probably due to inherent access difficulties and how to compare the distinct kinds of habitats. Thereby, further studies should be encouraged.

Resumo Os pedrais são definidos como segmentos de rio com leito localmente íngreme, tais como um alcance convexo em um perfil longitudinal côncavo. Eles são mundialmente distribuídos e geologicamente bem estudados, mas apesar de sua distinção como um tipo particular de macrohabitat há uma notória falta de conhecimento ecológico. Neste contexto, a proposta desta pesquisa é fornecer uma descrição física, em termos de tipo de habitats, e uma caracterização limnológica de um pedral basáltico. A informação é baseada em um estudo de caso realizado no rio Sapucaí-Mirim, no Sudeste do Brasil. As amostragens foram realizadas em três diferentes habitats bem representados na zona de pedral (rápidos, corredeiras e poças) durante as condições chuvosa e seca. Uma clara discriminação em termos de tipo de habitat e sazonalidade foi demonstrada através de uma análise de componentes principais. As poças apresentaram maior amplitude de variação para a maioria dos parâmetros limnológicos quando comparadas aos rápidos e corredeiras, provavelmente devido a grande influência do metabolismo interno (produção fotossintética e respiração das comunidades). Apesar de sua formação geológica antiga e da pouca compreensão de seu papel ecológico, os pedrais estão em ameaça iminente em várias regiões do mundo pela implementação de barragens hidrelétricas. A falta de informações ecológicas sobre os pedrais é provavelmente devido às dificuldades inerentes de acesso e como comparar os tipos distintos de habitats. Assim, devem ser encorajados novos estudos.

More than two decades after the introduction of Limnoperna fortunei (Dunker 1857) in La Plata Basin

Abstract The golden mussel, Limnoperna fortunei, is an Asian freshwater bivalve introduced in South America in the beginning of the 1990s, probably through ballast water releases in La Plata River estuary. It dispersed north through Paraná, Uruguay and Paraguay Rivers. The study evaluated the macroscale (18° to 34° S; 45° to 60° W) distribution of L. fortunei (larval stages) in the main rivers and reservoirs of La Plata Basin. Samplings were performed through 68 µm vertical plankton net hauls. Limnological variables were simultaneously determined. Larvae abundance correlated significantly with oxygen (positively) in summer, with temperature (positively) in winter and with total phosphorus and total nitrogen (both negatively) in winter. We expected densities to decrease towards north (latitudinal gradient) and increase in lentic conditions (reservoirs). Despite maximum density was found near the introduction point (La Plata River) similar value was also observed 2,000 km north (Paraguay River). The first hypothesis was refuted. The second hypothesis was partially accepted. Abundances were consistently higher in summer. Higher trophic conditions and fast flow seem to inhibit population growth. Food resources (chlorophyll a) locally influenced temporal variation. Limnoperna fortunei is widely distributed in La Plata basin, reaching high larval densities superior to 10,000 ind. m-3, in all major sub-basins. The species exhibits a high intrinsic dispersal ability (free planktonic larvae), wide tolerance to environmental factors and dispersion is potentialized by natural dispersion processes (e.g. fauna displacement) and human facilitation (e.g. commercial navigation).

Resumo O mexilhão dourado, Limnoperna fortunei, é um bivalve de água doce originário da Ásia e introduzido na América do Sul no início de 1990, provavelmente através da água de lastro liberada no estuário do rio La Plata. Dispersando-se para o norte através dos rios Paraná, Uruguai e Paraguai. Esse estudo avaliou a distribuição em macroescala (18° a 34° S; 45° a 60° W) de L. fortunei (estágios larvais) nos principais rios e reservatórios da bacia La Plata. Amostragens foram realizadas através de arrastos verticais com rede planctônica de 68 µm. Variáveis limnológicas foram simultaneamente determinadas. A abundância larval correlacionou-se significativamente com oxigênio (positivamente) no verão, com a temperatura (positivamente) no inverno e com fósforo total e nitrogênio total (ambos negativamente) no inverno. Esperávamos um decréscimo da densidade em direção ao norte (gradiente latitudinal) e aumento em condições lênticas (reservatórios). Apesar de a densidade máxima ter sido encontrada próximo do ponto de introdução (La Plata River) valores similares também foram observados 2.000 km ao norte (rio Paraguai). A primeira hipótese foi refutada. A segunda hipótese foi parcialmente aceita. Abundâncias foram consistentemente maiores no verão. Condições eutróficas e fluxo rápido parecem inibir o crescimento populacional. Recurso alimentar (clorofila a) local influenciou a variação temporal. Limnoperna fortunei está amplamente distribuído na bacia de La Plata, alcançando densidades larvais superiores a 10.000 ind. m-3 em todas as principais sub bacias. A espécie possui alta capacidade de dispersão intrínseca (larva planctônica livre), ampla tolerância aos fatores ambientais e os processos de dispersão são potencializados por processos naturais (e.g. deslocamento de fauna) e facilitação humana (e.g. navegação comercial).

Potential impact of small hydroelectric power plants on river biota: a case study on macroinvertebrates associated to basaltic knickzones

Abstract Small hydroelectric power plants (SHP) have been considered as an alternative for the generation of electricity with reduced environmental impacts. Nevertheless, no studies have addressed changes in a particular kind of river macrohabitat commonly affected by SHPs, the knickzones. This study aimed to assess the impact of a SHP construction on the aquatic macroinvertebrate fauna associated with two basaltic knickzones located in Sapucaí-Mirim River, Southeast Brazil. The first, considered as a functional knickzone, follows the natural dynamics of the river flow and preserves the original rock substrate. The second, considered as non-functional knickzone, was permanently flooded after the SHP construction and the consolidated rock substrate was changed by fine sediment. Sampling was carried out in two seasonal periods and the data were analysed through multivariate analysis. It was observed differences in composition and structure of the macroinvertebrates community between the knickzones and periods. The functional knickzone exhibited a much higher richness, 72 taxa compared to 44 in the non-functional, as well as a large number of exclusive taxa (38, being only nine exclusive to the non-functional). Diversity, equitability and density mean values were also higher in the functional knickzone. The limnological parameters varied significantly between dry and rainy seasons but not between the distinct knickzones. This kind of macrohabitats and its potential role for the rivers biodiversity is practically unknown. In the scenery of fast SHP expansion, further studies and protection measures are necessary.

Resumo Atualmente, a instalação de pequenas centrais hidrelétricas (PCHs) tem sido a alternativa mais visada quando a questão é suprir a demanda energética, considerando-se os menores impactos ambientais possíveis. Contudo, são escassos os trabalhos que avaliam as alterações causadas por esses empreendimentos, principalmente no que se diz respeito a um tipo de macro-habitat de rios, os pedrais. Assim, este estudo teve como objetivo avaliar o impacto da construção de uma PCH na fauna de macroinvertebrados aquáticos associada a dois pedrais basálticos, localizados no rio Sapucaí-Mirim, no Sudeste do Brasil. O primeiro, considerado como um pedral funcional, segue a dinâmica natural do fluxo do rio e possui o substrato rochoso original. O segundo, considerado como pedral não funcional, foi permanentemente inundado após a construção da PCH e o substrato consolidado foi alterado por sedimentos finos. A amostragem foi realizada em dois períodos sazonais e os dados foram analisados através de análise multivariada. Foram observadas diferenças na composição e estrutura da comunidade de macroinvertebrados entre os pedrais e períodos. O pedral funcional apresentou uma riqueza muito maior, 72 táxons em comparação com 44 no não funcional, bem como um grande número de táxons exclusivos (38, sendo apenas nove exclusivos do não-funcional). Os valores médios da diversidade, equitabilidade e densidade também foram maiores no pedral funcional. Os parâmetros limnológicos variaram significativamente entre as estações seca e chuvosa, mas não entre os diferentes pedrais. Este tipo de macro-habitat e seu potencial papel para a biodiversidade dos rios são praticamente desconhecidos. Assim, mais estudos e medidas de proteção são necessários, principalmente diante do atual cenário de rápida expansão das PCHs.

Annual and short-term variability in primary productivity by phytoplankton and correlated abiotic factors in the Jurumirim Reservoir (São Paulo, Brazil)

The annual variability of the photosynthetic production (PP) by phytoplankton in the lacustrine zone of the Jurumirim Reservoir (São Paulo, Brazil) was evaluated in a three-year study to identify recurrent patterns and their causes. Variability in PP was measured daily during two periods of the year (the dry and rainy seasons). An analysis of the PP data failed to identify a recurrent pattern, since the PP values showed no correlation with hydrological factors (rainfall, water level and discharge, and washout) nor, apparently, with the water’s nutritional conditions. A principal component analysis revealed that the PP and assimilation ratio were higher when the PO4(3-) and N-NH4+ contents were low and the Z EU/Z MIX ratios were at their highest. Areal primary productivity can be predicted based on the ratio between the maximum volumetric productivity and the coefficient of vertical extinction of light. However, the biomass integrated for Z EU was a poor predictor of areal primary productivity. No correlation was found between water temperature and areal and maximum volumetric productivity. Thus, the three-year PP study indicated that the variability pattern is typically chaotic. As for the short-term measurements, the PP was found to be higher in the dry season than in the rainy, although both seasons showed an areal PP variability of 35 to 40%. This pattern was attributed to the daily variation in the nutritional conditions and the magnitude of light penetrating through the water, combined with the mixing of phytoplanktonic cells. A comment about the relationship between primary production by phytoplankton and fish yield is also briefly discussed here.

A variabilidade anual da produção fotossintética (PP) pelo fitoplâncton na zona da barragem da Represa de Jurumirim (São Paulo, Brasil) foi medida após um estudo no período de três anos sucessivos, com o objetivo de identificar padrões recorrentes e suas causas. Medidas da variabilidade da PP em escala diária foram obtidas em dois períodos do ano (estações seca e chuvosa). Nenhum padrão recorrente foi verificado nos dados de PP, visto não haver relação de sua variabilidade com nenhum fator hidrológico (precipitação, nível e vazão de água e washout) nem, aparentemente, com as condições nutritivas da água. A análise de componentes principais revelou que a PP e a taxa de assimilação foram mais elevadas na época do ano em que o conteúdo de PO4(3-) e N-NH4+ foi mais baixo e quando as razões Z EU/Z MIX foram mais elevadas. A produtividade primária/área pode ser estimada pela razão entre a produtividade volumétrica máxima e o coeficiente de extinção vertical da luz. Entretanto, a biomassa integrada na Z EU foi um pobre preditor da produtividade primária/área. Nenhuma correlação foi encontrada entre a temperatura da água com a produtividade primária (por área e volumétrica máxima). Em conseqüência, o estudo da PP em três anos sucessivos mostrou que o padrão de variabilidade é tipicamente caótico. Em relação às medidas de curta duração, maior PP foi encontrada na estação seca do que na chuvosa. Em ambos os períodos, a variabilidade da PP (por área) foi de aproximadamente 35-40%. O padrão foi atribuído não somente à variação na concentração dos nutrientes mas também à magnitude de penetração de luz na água associado ao regime de circulação. Um comentário sobre a relação entre produção primária pelo fitoplâncton com produção pesqueira é também apresentada.

Short-term variability of copepod abundance in Jurumirim Reservoir, São Paulo, Brazil

Short-term variability in composition and abundance of copepod populations were studied during the dry (winter) and rainy (summer) seasons, at the dam region of Jurumirim Reservoir, São Paulo, Brazil. An intensive sampling program was carried out during 30 days in each period of the year. Samples and measurements were taken every other day at 0, 5, 10, 15, 20 and 25 m depths. The relationship between variability of the populations and some environmental factors was analyzed. The main species were: Argyrodiaptomus furcatus (Sars), Notodiaptomus iheringi (Wright), Mesocyclops longisetus (Thiébaud), Thermocyclops decipiens (Fischer), and T. minutus (Lowndes). Thermocyclops minutus was the most abundant species in dry season and its abundance varied significantly between sampling days. A large increase in abundance of calanoids occurred during the rainy season. This increase was correlated with higher temperature values. At that time, Notodiaptomus iheringi was dominant. This species showed significant short-term variations in abundance in both dry and rainy seasons. Significant variation in density of populations within the same sampling period might result from either the dispersion pattern of the populations or continuous substitution of the water masses. Significant correlation was observed between copepod abundance and temperature, especially for species of calanoids and there was also some correlations between densities of particular species of copepods and some phytoplankton taxa, mainly during the dry season. As for vertical distribution, most organisms were found between the surface and 15 m deep. During the rainy season, there was some evidence of the occurrence of spatial segregation between species of cyclopoids and calanoids, with the cyclopoids in a deeper position within the water column.

O presente estudo examinou a variabilidade na composição e na abundância das populações de copépodos, em dois períodos do ano, seco (inverno) e chuvoso (verão), na região da barragem da Represa de Jurumirim, São Paulo, Brasil. Foram realizadas coletas a cada 48 horas, durante 30 dias, em cada período; a amostragem da comunidade e as medidas das variáveis ambientais foram feitas a 0, 5, 10, 15, 20 e 25 metros de profundidade. As relações entre a variabilidade das populações e alguns fatores ambientais foram analisadas. As principais espécies encontradas foram: Argyrodiaptomus furcatus (Sars), Notodiaptomus iheringi (Wright), Mesocyclops longisetus (Thiébaud), Thermocyclops decipiens (Fischer) e T. minutus (Lowndes). Thermocyclops minutus foi a espécie mais abundante no período seco e sua densidade variou significativamente entre os dias de amostragem. Ocorreu um grande aumento na abundância de Calanoida durante a estação chuvosa. Esse aumento foi correlacionado a maiores valores de temperatura. Nessa época, Notodiaptomus iheringi foi dominante, a densidade dessa espécie apresentou variações de curto prazo significativas em ambos os períodos de estudo. Variações significativas na densidade das populações dentro de um mesmo período de estudo podem ser resultado do padrão de dispersão das populações ou da substituição contínua das massas de água. Foram observadas correlações significativas entre a abundância de copépodos e a temperatura, especialmente para as espécies de Calanoida; também foram observadas correlações entre algumas espécies de copépodos e alguns táxons fitoplanctônicos, principalmente durante a estação seca. Durante a época chuvosa, notaram-se evidências de segregação espacial entre as espécies de Cyclopoida e Calanoida; os Cyclopoida, algumas vezes, foram encontrados em maior densidade na camada mais profunda da coluna d'água.