Manual for the application of the new European Fish Index - EFI+. A fish-based method to assess the ecological status of European running waters in support of the Water Framework Directive.

This manual describes the new European Fish Index – EFI+ - and its application software. The EFI+ software and manual have been developed within the EFI+ project. The EFI+ project was funded by the European Commission (EC) under the 6th Framework Programme, “Energy, Environment and Sustainable Development”, Key Action 1: Sustainable Management and Quality of Water of the European Commission (Specific Targeted Research Project FP6-2005-SSP-5-A, Task 4: Ecological status assessment – filling the gaps). In the year 2000, the EC adopted a new legislation, the Water Framework Directive (WFD). This new legislation, now implemented in 27 EU member countries, aims for good ecological conditions in all surface waters. Fishes are, for the first time, part of a European-wide monitoring network designed to assess the ecological status of running waters. Between 2001 and 2004 the EC funded the FAME project developed, evaluated and implemented new standardised fish-based methods to assess the ecological status of running waters in Europe (FP5, Energy, Environment and Sustainable Management. Key Action 1: Sustainable Management and Quality of Water, EVK1-CT-2001-00094, http://fame.boku.ac.at).The main output of the FAME project was the European Fish Index (EFI), the first standardised fish-based assessment method applicable across a wide range of European rivers. The EFI employs a number of environmental descriptors to predict biological reference conditions and then quantifies the deviation of the fish community structure from these reference conditions on a statistical basis. The EFI was developed mainly based on data from Western and Northern Europe and was calibrated against estimates of human pressures and impacts. Although a wide range of river types was included in the development of the EFI, some river types, e.g. very large rivers, were underrepresented. The EFI has now been tested by European countries within their national monitoring programmes and has been evaluated for use for reporting under the WFD. During this evaluation process a number of limitations were observed in the performance of the index. Therefore, the overall objective of the EFI+ project was to overcome the existing limitations of the EFI by developing a new, more accurate and pan-European fish index. The scientific and technological objectives were to (1) evaluate the applicability of the existing EFI and make necessary improvements in Central-Eastern Europe and Mediterranean ecoregions; (2) extend the scope of the existing EFI to cover large rivers; (3) analyse relationships between hydromorphological pressures (including continuity disruption) and fish assemblages to increase the accuracy of the EFI; (4) adapt the existing software to the requirements of the EFI+ to allow calculation of the ecological status for running waters. This manual is divided in two parts. Part I introduces the concepts and methods on which the EFI+ is based. This section gives an overview of the development of the new European Fish Index and its achievements to fulfil the objectives of the Water Framework Directive in terms of using fishes as indicators for assessing the ecological status of running waters. Part II is the instruction manual to the web-based software. It details the fish assemblage and environmental data required and the process for obtaining scores and classification of the ecological status of a sampling site (or set of sampling sites) using the EFI+ online software

Traits fonctionnels, variabilité environnementale et bioindication : les communautés piscicoles des cours d’eau européens

The Water Framework Directive (WFD) establishes a framework for protecting and managing the different waterbodies: surface, transitory, coastal and underground waters. The WFD specifies that the different biocenosis components (diatom, macrophyte, benthic macroinvertebrate, and fish) must be taken into account in assessing the condition of waterbodies, a major innovation compared to past policies. The WFD recommends evaluating the ecological status of the waterbodies by comparing the observed communities to theoretical communities expected to reflect in reference conditions (without human pressures). The implementation of the WFD by the different member countries quickened the development of indices based on various assemblage characteristics (metrics) to diagnose the ecological state. In parallel to the national fish index, the first Pan-European fish index was developed within the European FAME project: the European Fish Index (EFI). The ten metrics integrated into the EFI computation are based on species’ biological and ecological characteristics (e.g., spawning substrate, type of reproduction). Although the EFI score shows a satisfying response to the degradation level, several hypotheses underlying the development of a multimetric index (MMI) were not addressed in the FAME project. MMIs are based on several premises: taking into account different assemblage characteristics enables a better assessment of the system’s conditions, metrics show a specific response to human pressures and should reflect the specificities of the region where they are applied, and the score associated with a metric should only reflect the between-site difference in degradation. The first part of this thesis tested a number of these hypotheses and developed new metrics specific to low-species rivers. The study of the relation between traits highlights the relative functional redundancy of the communities, especially for the characteristics related to species tolerance and species reproduction. The assemblage’s functional structure was also shown to vary along river’s physical and thermal gradients, in much the same way between Western Europe and the Iberian Peninsula, although these two regions have distinct species pools. Nevertheless, some metrics display a divergent response to the environment between these two regions. In addition, among the 96 metrics tested combining both species traits and fish body size, three were successfully modelled by the environment and are sensitive to anthropogenic alterations. These results show that it is possible to evaluate stream condition using assemblage size structure, especially when species richness is very low. All these investigations served to develop the new European fish index conceived within the European EFI+ project. The second part proposes solutions to estimate the uncertainty related to metric and index scores. The metric’s expected values in absence of pressures are predicted using statistical models relating the metric to the environment. Two approaches were proposed to estimate the prediction interval associated with expected metric values. The uncertainty associated with metric and index scores was estimated by propagating the error associated with the expected values (prediction interval limits). The third part consists in evaluating the potential effect of global climate change on the assessment of the stream’s ecological status using predictive indicators. It was shown that temperature plays a major role on brown trout (Salmo trutta fario) young of the year and species distribution. These results suggest long-term consequences on how streams are currently assessed, especially on the reference states.La Directive Cadre sur l’eau (DCE) fournit un cadre pour la gestion et la protection des masses d’eau de surface, côtières, souterraines et de transition. Une des avancées majeures de la DCE est la prise en compte des différents compartiments biologiques (algues, macrophytes, macro-invertébrés et poissons) dans l’évaluation de l’état des masses d’eau. La DCE recommande que l’état écologique des masses d’eau soit évalué en comparant les communautés actuelles aux communautés théoriques observables dans les conditions de références (sans pressions anthropiques). La mise en place de la DCE par les différents états membres, a accéléré le développement d’indices basés sur plusieurs descripteurs des communautés (métriques) pour diagnostiquer l’état écologique. Parallèlement aux indices poissons conçus à l’échelle nationale, le projet européen FAME a permis l’élaboration d’un premier indice poisson pan-européen (European Fish Index, EFI). Les 10 métriques, intégrées dans le calcul du score de cet indice, sont basées sur les caractéristiques (traits) biologiques et écologiques des espèces (ex. le substrat de ponte, le type de reproduction). Bien qu’EFI présente une réponse satisfaisante aux niveaux de dégradation des sites, plusieurs hypothèses sous-jacentes au développement de MMI n’ont pu être testées au cours du projet FAME. Le développement des indices multimétriques (MMI) repose en effet sur plusieurs postulats : la prise en compte de plusieurs caractéristiques des communautés devrait permettre une meilleure estimation de la condition des systèmes, les métriques intégrées au calcul de l’indice présentent des réponses spécifiques aux pressions et rendent compte de la particularité de la région où elles sont appliquées, le score (note) associé à une métrique pour un site donné est influencé uniquement par l’intensité de la dégradation . La première partie de ce travail vise à tester certaines de ces hypothèses, et à développer des métriques spécifiques aux cours d’eau à faible richesse spécifique. L’étude du lien entre traits met en évidence une relative redondance fonctionnelle des communautés, notamment concernant les caractéristiques liées à la tolérance et à la reproduction des espèces. Il est aussi montré que la structure fonctionnelle des communautés évolue le long des gradients thermiques et physiques des cours d’eau de façon relativement similaire entre l’Europe de l’Ouest et la péninsule Ibérique, deux régions aux pools spécifiques pourtant distincts. Néanmoins certaines métriques présentent des réponses divergentes à l’environnement entre ces deux régions. Par ailleurs, parmi les 96 métriques testées intégrant les traits des espèces et la taille des individus, trois ont été modélisées avec succès en fonction de l’environnement et sont sensibles à l’altération anthropique. Ces résultats montrent qu’il est possible de prendre en compte la structure en tailles des peuplements dans l’évaluation des cours d’eau, en particulier lorsque la richesse spécifique est très faible. L’ensemble de ces travaux ont servi à la conception du nouvel indice poisson européen développé dans le cadre du projet européen EFI+. La deuxième partie de ce travail consiste à proposer des solutions pour l’estimation de l’incertitude associée aux scores des métriques et de l’indice. Les valeurs attendues des métriques en absence de pressions sont prédites par des modèles statistiques reliant les métriques à l’environnement. Deux approches ont été proposées pour estimer l’intervalle de confiance de prédiction associé aux valeurs attendues des métriques. L’incertitude autour des métriques et de l’indice est estimée en propageant l’erreur autour des valeurs attendues (limites de l’intervalle de prédiction) des métriques. La troisième partie de ce travail a pour objet d’évaluer l’effet du changement climatique sur la mesure de l’état écologique des cours d’eau à l’aide d’indicateur de type prédictif. Il a été mis en évidence que la température joue un rôle majeur sur la croissance des jeunes de l’année de truite (Salmo trutta fario) et sur la distribution des espèces. Ces résultats présagent de conséquences importantes sur le long terme sur les modes actuels d’évaluation des cours d’eau et en particulier les états de référence

Traits fonctionnels, variabilité environnementale et bioindication (les communautés piscicoles des cours d'eau européens)

La directive cadre sur l'eau (DCE) fournit un cadre pour la gestion et la protection des masses d'eau et à accélérer le développement multimétriques. Le diagnostique de l'état écologique s'établit en comparant les communautés actuelles aux communautés observables en absence de pressions. Le projet européen FAME a permis l'élaboration d'un indice poisson européen basé sur les traits écologiques des espèces. Plusieurs hypothèses sous-jacentes au développement d'indices multimétriques n'ont pu être testées au cours de ce projet. La première partie de ce travail vise à tester certaines de ces hypothèses, et à développer des métriques adaptées aux cours d'eau à faible richesse. Un lien entre les gradients physiques et thermiques des cours d'eau et la structure fonctionnelle à été mis en évidence. Trois métriques basés sur les traits et la taille ont été développées. L'ensemble de ces travaux ont servi à la conception du nouvel indice poisson européen développé dans le cadre du projet européen efi+. La deuxième partie de ce travail consiste à proposer des solutions pour l'estimation de l'incertitude associée aux scores des métriques et de l'indice. Deux approches ont été proposées pour estimer l'intervalle de prédiction associé aux valeurs attendues des métriques. La troisième partie de ce travail a pour objet d évaluer l'effet du changement climatique sur la mesure de l'état écologique des cours d'eau. Il a été mis en évidence que la température joue un rôle majeur sur la croissance des jeunes de l'année de truite et sur la distribution des espèces. Ces résultats présagent de conséquences importantes sur les modes actuels d'évaluation des cours d'eau.The water framework directive (WFD) establishes a framework for protecting and managing the waterbodies and quickened the development of multimetric indices. The ecological status is assessed by comparing the observed communities to communities expected in absence of pressures. The first European fish index was developed within the European fame project. Several hypotheses underlying the development of a multimetric index were not addressed in the fame project. The first part of this thesis tested some of these hypotheses and developed new metrics specific to low-species rivers. The assemblage's functional structure was shown to vary along river's physical and thermal gradients. Three metrics combining species traits and body size were successfully developed. All these investigations served to develop the new European fish index conceived within the European efi+ project. The second part proposes solutions to estimate the uncertainty related to metric and index scores. Two approaches were proposed to estimate the prediction interval associated with expected metric values. The third part consists in evaluating the potential effect of global climate change on the assessment of the stream's ecological status. It was shown that temperature plays a major role on brown trout young of the year and species distribution. These results suggest long-term consequences on how streams are currently assessed, especially on the reference states.AIX-MARSEILLE1-BU Sci.St Charles (130552104) / SudocSudocFranceF

Modelling the habitat requirement of riverine fish species at the European scale: sensitivity to temperature and precipitation and associated uncertainty

International audienceSpecies distribution models (SDMs) have been widely used for different purposes such as studying species niche or forecasting the effects of global change on species distribution. Nevertheless, these models are often calibrated on datasets that only cover a fraction of the species’ realised niches, which could lead to unrealistic results. The aim of this study was to model the habitat requirements of 21 freshwater fish species that are native to Europe, using a dataset that accurately reflects their realised niches. Both temperature and precipitation were used as climatic factors to model the habitat requirements of the species, and the uncertainty associated with the fitted environment–occurrence relationships was examined. The results demonstrated the importance of accounting for these two climatic components when estimating the habitat requirements of riverine fish species and whether the uncertainty associated with model expectations varies with the species and the environmental factor considered. These results are discussed with regard to the known ecology of the 21 riverine fish species and within the perspective of climate change

État écologique des lacs et estuaires, défis et perspectives

National audienceDespite their numerous uses and their proven role for aquatic and terrestrial biodiversity, French water bodies and estuaries have historically been little studied, and their ecological status little documented. The evaluation and monitoring of their ecological quality within the framework of the European Water Framework Directive was a real challenge in the 2000s. Today, the acquisition of quality data over the last two decades and the arrival of new monitoring methods, such as spatial remote sensing or the use of environmental DNA, suggest new prospects for monitoring these valuable ecosystems.Malgré les nombreux usages dont ils font l’objet et leur rôle avéré pour la biodiversité aquatique et terrestre, les plans d’eau et les estuaires français ont été historiquement peu étudiés, et leur état écologique peu renseigné. L’évaluation et le suivi de leur qualité écologique dans le cadre de la directive cadre européenne sur l’eau ont relevé d’un véritable challenge dans les années 2000. Aujourd’hui, l’acquisition de données de qualité au cours des deux dernières décennies et l’arrivée de nouvelles méthodes de surveillance, comme la télédétection spatiale ou le recours à l’ADN environnemental, laissent présager de nouvelles perspectives de suivi de ces précieux écosystèmes

Principes et méthodes de calcul de l’Indice Ichtyofaune Lacustre, IIL.

Un indice multimétrique poisson dédié à l’évaluation de l’état écologique des lacs naturels français, notamment dans le cadre de l’application de la Directive Cadre européenne sur l’Eau, a été développé au sein du pôle Onema/Irstea Hydroécologie plans d’eau. Ce rapport décrit tous les éléments nécessaires et la procédure permettant le calcul de cet indice et son utilisation pour définir l’état écologique des lac

Life-history variation in freshwater fish: an assessment of the `opportunistic-equilibrium-periodic' triangular model

International audienceno abstrac

Bayesian inference of physicochemical quality elements of tropical lagoon Nokoué (Benin)

International audienceIn view of the very strong degradation of aquatic ecosystems, it is urgent to set up monitoring systems that are best able to report on the effects of the stresses they undergo. This is particularly true in developing countries, where specific and relevant quality standards and funding for monitoring programs are lacking. The objective of this study was to make a relevant and objective choice of physico-chemical parameters informative of the main stressors occurring on African lakes and to identify their alteration thresholds. Based on statistical analyses of the relationship between several driving forces and the physico-chemical parameters of the Nokoué lagoon, relevant physico-chemical parameters were selected for its monitoring. An innovative method based on Bayesian statistical modeling was used. Eleven physico-chemical parameters were selected for their response to at least one stressor and their threshold quality standards also established: Total Phosphorus (4 mg/L), BOD (6.2) , and Transparency (>0.9 m) . According to the System for the Evaluation of Coastal Water Quality, these thresholds correspond to "good to medium" suitability classes, except for total phosphorus. One of the original features of this study is the use of the bounds of the credibility interval of the fixed-effect coefficients as local weathering standards for the characterization of the physico-chemical status of this anthropized African ecosystem

Programme IPR+. Révision de l'indice poisson rivière pour l'application de la DCE. Variabilité temporelle de l'indicateur et incertitudes associées à l'évaluation de la qualité écologique

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASAR

Étude d’impact de l’utilisation des nouveaux indicateurs biologiques et physicochimiques pour l’évaluation de l’état écologique des plans d’eau

[Departement_IRSTEA]Eaux [TR1_IRSTEA]QUASAREFor the implementation of the European Framework Directive on Water (DCE), new biological and physicochemical indicators have been developed to define the ecological status of lakes. This is the case of the fish fauna index (IIL), macrophytic index (IBML) Index and the phytoplankton index (IPLAC). The objective of this study is to assess the consequences of the use of new biological and/or physico-chemical indicators on the assessment of the ecological status of French lakes, compared to previously used indicators.Sous l’impulsion de la Directive Cadre européenne sur l’Eau (DCE), de nombreux indicateurs à la fois biologiques et physico-chimiques ont été développés pour définir l’état écologique des masses d’eau. Depuis le précédent rapportage de l’état écologique des plans d’eau à l’Union Européenne, de nouveaux indicateurs biologiques ont été développés pour des éléments de qualités biologiques (EQB) qui n’étaient pas pris en compte. C’est le cas de l’indice ichtyofaune lacustre (IIL), de l’indice biologique macrophytique en lac (IBML) et de l’indice phytoplancton lacustre pour les lacs (IPLAC). Ce dernier était déjà disponible mais sous une autre forme (IPL). L’objectif de cette étude est donc d’évaluer les conséquences de l’utilisation des nouveaux indicateurs biologiques et/ou physico-chimiques sur l’évaluation de l’état écologique des plans d’eau français, par rapport aux indicateurs précédemment utilisés et dont l'utilisation était préconisée dans l’arrêté d’évaluation du 25 janvier 2010. Nous comparerons donc, sur la base des données disponibles, les évaluations pour chaque élément de qualit