Biogeographical Patterns of Species Richness and Abundance Distribution in Stream Diatoms Are Driven by Climate and Water Chemistry

In this intercontinental study of stream diatoms, we asked three important but still unresolved ecological questions: (1) What factors drive the biogeography of species richness and species abundance distribution (SAD)? (2) Are climate-related hypotheses, which have dominated the research on the latitudinal and altitudinal diversity gradients, adequate in explaining spatial biotic variability? and (3) Is the SAD response to the environment independent of richness? We tested a number of climatic theories and hypotheses (i.e., the species-energy theory, the metabolic theory, the energy variability hypothesis, and the climatic tolerance hypothesis) but found no support for any of these concepts, as the relationships of richness with explanatory variables were nonexistent, weak, or unexpected. Instead, we demonstrated that diatom richness and SAD evenness generally increased with temperature seasonality and at mid- to high total phosphorus concentrations. The spatial patterns of diatom richness and the SADmainly longitudinal in the United States but latitudinal in Finlandwere defined primarily by the covariance of climate and water chemistry with space. The SAD was not entirely controlled by richness, emphasizing its utility for ecological research. Thus, we found support for the operation of both climate and water chemistry mechanisms in structuring diatom communities, which underscores their complex response to the environment and the necessity for novel predictive frameworks.Peer reviewe

Stream diatom biodiversity in islands and continents—A global perspective on effects of area, isolation and environment

Aim The species-area relationship (SAR) is one of the most distinctive biogeographic patterns, but global comparisons of the SARs between island and mainland are lacking for microbial taxa. Here, we explore whether the form of the SAR and the drivers of species richness, including area, environmental heterogeneity, climate and physico-chemistry, differ between islands and similarly sized areas on mainland, referred to as continental area equivalents (CAEs). Location Global. Taxon Stream benthic diatoms. Methods We generated CAEs on six continental datasets and examined the SARs of CAEs and islands (ISAR). Then, we compared CAEs and islands in terms of total richness and richness of different ecological guilds. We tested the factors contributing to richness in islands and CAEs with regressions. We used structural equation models to determine the effects of area versus environmental heterogeneity, climate and local conditions on species richness. Results We found a non-significant ISAR, but a significant positive SAR in CAEs. Richness in islands was related to productivity. Richness in CAEs was mainly dependent on area and climate, but not directly on environmental heterogeneity. Species richness within guilds exhibited inconsistent relationships with island isolation and area. Main conclusions Ecological and evolutionary processes shaping diatom island biogeography do not depend on area at the worldwide scale probably due to the presence of distinct species pool across islands. Conversely, area was an important driver of diatom richness in continents, and this effect could be attributed to dispersal. Continents had greater richness than islands, but this was a consequence of differences in environmental conditions such as specific island climatic conditions. We stress the need for more island data on benthic diatoms, particularly from archipelagos, to better understand the biogeography of this most speciose group of algae

Scientists’ Warning to Humanity: Rapid degradation of the world\u27s large lakes

Large lakes of the world are habitats for diverse species, including endemic taxa, and are valuable resources that provide humanity with many ecosystem services. They are also sentinels of global and local change, and recent studies in limnology and paleolimnology have demonstrated disturbing evidence of their collective degradation in terms of depletion of resources (water and food), rapid warming and loss of ice, destruction of habitats and ecosystems, loss of species, and accelerating pollution. Large lakes are particularly exposed to anthropogenic and climatic stressors. The Second Warning to Humanity provides a framework to assess the dangers now threatening the world\u27s large lake ecosystems and to evaluate pathways of sustainable development that are more respectful of their ongoing provision of services. Here we review current and emerging threats to the large lakes of the world, including iconic examples of lake management failures and successes, from which we identify priorities and approaches for future conservation efforts. The review underscores the extent of lake resource degradation, which is a result of cumulative perturbation through time by long-term human impacts combined with other emerging stressors. Decades of degradation of large lakes have resulted in major challenges for restoration and management and a legacy of ecological and economic costs for future generations. Large lakes will require more intense conservation efforts in a warmer, increasingly populated world to achieve sustainable, high-quality waters. This Warning to Humanity is also an opportunity to highlight the value of a long-term lake observatory network to monitor and report on environmental changes in large lake ecosystems

Et si le passé nous parlait d'avenir : influence de l'histoire du paysage sur la diversité des macrophytes des lacs et étangs du littoral aquitain

National audienceLa structure du paysage est largement reconnue comme ayant un rôle majeur sur la biodiversité, en influençant directement les dynamiques des populations et des communautés. Mais le paysage peut aussi être appréhendé comme un bon indicateur des pressions anthropiques diffuses qui agissent sur le territoire et qui peuvent localement modifier la structure de la diversité. Face à ces pressions anthropiques, la réponse des écosystèmes peut à la fois varier dans l'espace mais aussi dans le temps, les écosystèmes pouvant garder une trace des évènements passés. En raison du temps de réponse des écosystèmes et des communautés suite à une perturbation, l'assemblage local des espèces peut ainsi être davantage expliqué par des évènements passés que présents. Ces processus ont surtout été étudiés sur les organismes terrestres, mais rarement sur les organismes aquatiques. L'objectif de cette étude est donc de tester l'importance relative de l'histoire du paysage, du paysage et des facteurs environnementaux sur l'organisation des patrons de diversité des macrophytes des lacs et étangs du littoral aquitain. Nous nous sommes intéressés aux bassins versants de 13 plans d'eau naturels, sur lesquels nous avons digitalisé l'occupation du sol en 1945, 1965, 1985 et 2000 à partir de photographies aériennes. Ce travail nous a permis, dans un premier temps, d'évaluer la dynamique paysagère au cours du temps. Globalement, l'occupation du sol montre une urbanisation croissante et une augmentation de la surface des champs cultivés alors que les surfaces en prairies/zones humides ont fortement régressées. L'influence de ce paysage ancien sur la richesse et la composition spécifique des macrophytes a ensuite été testée, de même que le paysage actuel, la composition chimique de l'eau (concentration des nutriments) et les caractéristiques physiques des plans d'eau (surface, périmètre, volume, temps de résidence). Globalement, la diversité des macrophytes (richesse et composition) est plus corrélée au paysage ancien que présent. La richesse spécifique est particulièrement expliquée par la surface forestière en 1945, l'artificialisation des terres en 1985, ainsi que par la concentration en nitrates et au volume du plan d'eau. La composition est fortement influencée par l'occupation du sol passée, les caractéristiques physiques des lacs et la concentration en phosphore. En revanche, aucune variable paysagère actuelle n'apparait comme explicative de la composition spécifique. Ces résultats soulignent l'importance de l'histoire du paysage sur l'organisation des patrons de diversité et suggèrent la présence de délais de réponse des communautés végétales face aux pressions anthropiques

Influence de l'histoire du paysage sur la diversité des plantes aquatiques

International audienceThe historical composition of landscapes is recognized as an important factor for explaining plant diversity patterns, because current species assemblages are not only patterned by current ecological conditions, but also represent legacies of the past. Indeed, historical landscapes can represent past anthropogenic impact on the environment whose effects could still be observed nowadays. However, the influence of history on diversity patterns has mostly been investigated for terrestrial ecosystems, but has rarely been considered for aquatic ones. Here, we examined the effect of historical landscapes and land-use changes on the taxonomic richness and composition of aquatic plant communities in French freshwater shallow lakes and ponds. We aimed to test the relative influence of environmental variables and landscapes legacy on macrophyte species assemblages. We surveyed the macrophytes communities in 100m sections of the shoreline of each lake (N=17) up to 1m depth. We used water chemistry and physical features of lakes as environmental variables, and reconstructed historical land-use of lakes' watershed with aerial pictures of 1945, 1965, 1985 and 2000 for examining historical variables. Landscape changes were examined with transition matrices and principal component analysis (PCA) and species composition with non-metrical multidimensional scaling (NMDS). The relative influence of physical, chemical and historical factors on species richness and composition were tested with variation partitioning methods. We found that the landscape of all lakes' watershed exhibit a trend toward an increase of urban and arable areas at the expense of semi-natural ones. Environmental variables and historical factors are strongly correlated with macrophyte diversity but current landscape composition seems to have only a weak influence. Especially, historical landscape factors appeared to be strongly associated with species macrophyte composition. These results underline the importance of historical factors in explaining aquatic plant diversity and suggest delayed responses of plant communities to anthropogenic pressures. Integrating historical factors in future analyses of aquatic ecosystems would thus greatly contribute to understand ecological processes governing their species assemblages, and would be crucial for their conservation and management

Un système opérationnel de surveillance et d'alerte des proliférations de cyanobactéries : application aux plans d'eau landais

International audienceThe large lakes of the Landes have bathing areas regularly monitored for public health by the environmental services of the community of municipalities of the great lakes (CCGL) and the community of municipalities of Mimizan (CCM). Regulation impose biological monitoring, and especially for cyanobacteria, as they are potentially toxic to humans (due to cyanotoxins production). Nevertheless, analyses are carried out in laboratory and generate a delay of response of at least 36 hours damaging to sanitary safety and leading to important costs. The work carried out between Irstea Bordeaux and the communities of municipalities proposed to reduce the delay of response and to limit the costs by modifying the monitoring and alert decision tree with the use of a fluorimetric field probe. The adapted decision tree is based on thresholds of cyanobacteria quantities expressed in chlorophyll-a equivalent, instead of the number of counted cells usually practiced. It provides at least the same safety level and is, sometimes, more precautionary. This work enables managers to implement a monitoring and alert protocol for cyanobacteria based on the use of the fluorimetric probe during summers.Les grands plans d'eau landais accueillent des zones de baignade, surveillées régulièrement pour des raisons de santé publique par les services chargés de l'environnement de la communauté de communes des grands lacs (CCGL) et de la communauté de communes de Mimizan (CCM). La règlementation y impose une surveillance biologique, comportant le suivi des cyanobactéries productrices éventuelles de cyanotoxines toxiques pour l'homme. Néanmoins, les analyses sont réalisées en laboratoire et comportent un délai de réponse d'au moins 36 heures, dommageable à la sécurité sanitaire et entraînant des couts financiers élevés. Le travail mené conjointement par Irstea Bordeaux et les communautés de communes permet de proposer une réduction du temps de réponse et une limitation des couts, en modifiant l'arbre décisionnel règlementaire de surveillance et d'alerte grâce à l'usage d'une sonde fluorimétrique de terrain. L'arbre décisionnel a été réadapté et validé avec des seuils de quantité de cyanobactéries exprimés en équivalent de chlorophylle-a, au lieu du dénombrement de cellules habituellement pratiqué. Il assure à minima le même niveau de sécurité sanitaire et s'avère, dans certains cas, plus protecteur que le protocole règlementaire. Ces résultats permettent aux gestionnaires la mise en ½uvre d'un protocole de surveillance et d'alerte des cyanobactéries basé sur l'utilisation d'une sonde fluorimétrique au cours des saisons estivales

Aller vers le passé pour mieux comprendre le présent : Influence de l'histoire du paysage sur la biodiversité macrophytique

International audienceL'une des questions essentielle en écologie est de comprendre les mécanismes responsables des patrons d'assemblages des espèces. Pour les milieux terrestres, l'histoire du milieu et de son environnement est reconnu comme ayant un impact majeur sur sa composition biologique (temps de réponse des espèces, caractéristiques physiques du milieu modifié sur le long terme, capacité de colonisation). Cependant, pour les milieux aquatiques, cette thématique n'a que rarement été étudié. A travers l'étude de photographie aériennes anciennes, nous nous sommes intéressés à l'histoire du bassin versant de 8 lacs et étangs du littoral Aquitain. Nous avons ainsi reconstitué l'occupation du sol depuis 1945 jusqu'à la période actuelle et mis en relation ces changements paysagers avec la structure et la composition de la diversité macrophytique actuelle. Sur l’ensemble des bassins versant, les principaux changements paysagers concernent les typologies liés à l'urbanisation et au couvert forestier, se faisant principalement au détriment des prairies. Ces deux principaux changements paysagers sont corrélés à la structure de la diversité (modèles linéaires) et sa composition. Ces résultats suggèrent une influence de l'occupation du sol du bassin versant, à la fois sur la qualité du milieu mais aussi sur les processus gouvernant le fonctionnement des métacommunautés. Ils apportent également de nouvelles perspectives en termes de gestion et de conservation de ces milieux humides