Riparian vegetation patterns according to hydrogeomorphological factors at different spatial and temporal scales in Mediterranean rivers

Los corredores riparios en ambientes semiáridos mediterráneos son ecosistemas de gran biodiversidad y complejidad. En ellos confluyen una gran variedad de perturbaciones naturales capaces de crear un mosaico espacial y temporal con pocos paralelos en otros ecosistemas. Sin embargo, a pesar de su valor, los ecosistemas riparios están amenazados debido a los altos niveles de intervención humana. La construcción de presas (y la consecuente manipulación del caudal) está considerada como la perturbación humana más importante que se cierne sobre ellos. Esta tesis ha tenido como objetivo analizar el ecosistema ripario, abarcando diferentes escalas espaciales y temporales, y centrándose en los factores que influyen en la distribución, estructura, composición, calidad y dinámica de su vegetación, tanto en tramos naturales como hidrológicamente alterados de ríos mediterráneos, concretamente de la Demarcación Hidrográfica del Júcar (Este de España). Para lograr este objetivo, se han hecho los siguientes aportes a la investigación: A) Determinar los patrones de distribución de especies leñosas riparias en el gradiente transversal de la ribera y definir grupos de especies con respuesta similar a las condiciones físicas del hábitat; B) Comparar la respuesta de dichas especies en tramos naturales y alterados hidrológicamente; C) Definir curvas de respuesta y gremios hidrológicos de especies en tramos con régimen natural; D) Establecer los principales factores que determinan la calidad del hábitat ripario y fluvial y los patrones longitudinales de la composición florística, así como de las características del hábitat fluvial en un segmento hidrológicamente alterado; E) Describir los cambios espacio-temporales en la estructura y complejidad de la vegetación, y los cambios temporales en el régimen de caudales del corredor ripario de un tramo hidrológicamente alterado. Los objetivos anteriores fueron abordados con diferentes metodologías que implicaron la combinación de diversas fuentes de información y un esfuerzo importante en la toma de datos en varios lugares de estudio de los ríos Cabriel, Mijares y Serpis. Para cumplir con los objetivos A y B, se llevaron a cabo un muestreo de suelos y un muestreo georreferenciado de vegetación a través de transectos transversales al cauce en dos tramos naturales y tres regulados. Los datos fueron analizados con estadística robusta y multivariante. Para cumplir el objetivo C, el muestreo georreferenciado anterior (junto con un muestreo dendrocronológico) fue acoplado con un modelo hidráulico en los dos tramos naturales, con el fin de obtener la serie temporal de cotas del agua a la que habían estado expuestas cada una de las plantas durante su vida. La respuesta de las especies y su posible agregación en gremios hidrológicos fue comparada mediante estadística robusta en relación a la duración de la inundación, duración de la inundación durante el período de crecimiento, duración continua de la inundación, frecuencia de inundación y elevación de la planta respecto al caudal base. Para lograr el objetivo D, toda la sección regulada del río Serpis (desde la presa Beniarrés - hasta la desembocadura; 40 km) se dividió en segmentos. En cada uno de ellos se llevó a cabo un inventario de flora y se aplicaron índices hidromorfológicos. Los segmentos fueron agrupados de acuerdo a su composición florística y características del hábitat fluvial utilizando diferentes técnicas de estadística multivariante. Finalmente se discutieron los factores principales que controlan los patrones espaciales de la composición florística, las características del hábitat fluvial, la calidad del hábitat ribereño y la heterogeneidad del hábitat fluvial. Para alcanzar el objetivo E, se combinaron series históricas de caudales y su manipulación humana con imágenes aéreas históricas (reveladoras de cambios en la cubierta vegetal) y observaciones de campo de la distribución de edades de la vegetación y morfología del corredor ripario del río Mijares en los últimos 60 años. De esta información, se extrajeron métricas del paisaje e índices hidrológicos para identificar y resumir los cambios espacio-temporales en la estructura de la ribera y en el régimen de caudales. El estudio a escala transversal nos ayudó a comprender en cada uno de los tramos la zonación de las especies leñosas riparias en función de la morfología y características del suelo, revelando que la alteración del caudal puede influir en la modificación de los patrones posicionales de las especies. Se definieron tres gremios hidrológicos: ¿altamente tolerante a la inundación¿, ¿tolerante intermedio¿ y ¿de transición entre ripario y terrestre¿. El estudio a escala longitudinal sugirió que la respuesta de la vegetación a un cambio hidrológico es altamente dependiente de la geomorfología local. Se constató que los factores principales que determinan los patrones hidromorfológicos y florísticos son un régimen de caudales artificial y altamente variable (identificado en los segmentos con peor calidad del hábitat ripario y fluvial), la presencia de estructuras laterales en el cauce y las características geomorfológicas. Como efectos importantes de la regulación del caudal a largo plazo, el estudio a escala espacio-temporal reveló un aumento en la cobertura y densidad de la vegetación leñosa, una deriva en la composición de especies y una disminución en las áreas de sedimento desnudo (esencial para el reclutamiento de las especies riparias pioneras), junto con una reducción sincrónica en la complejidad de la ribera. Estos cambios estarían relacionados con la disminución de la magnitud y variabilidad de los caudales en las últimas seis décadas. Solo una mejor comprensión de los procesos ecohidrológicos y de las implicaciones de la alteración hidrológica sobre los ecosistemas riparios mediterráneos podrá apoyar la integración eficaz de estos sistemas en las decisiones de gestión del agua.Garófano Gómez, V. (2013). Riparian vegetation patterns according to hydrogeomorphological factors at different spatial and temporal scales in Mediterranean rivers [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/29395TESI

Species composition and plant traits: Characterization of the biogeomorphological succession within contrasting river corridors

[EN] Plant communities and dynamics can be characterized according to species composition or plant traits. Here, we used species composition and plant traits to compare their effectiveness in discriminating the biogeomorphological (involving reciprocal feedbacks between physical and biological processes) and ecological (mainly biologically driven) phases of the fluvial biogeomorphological succession (FBS) model. The comparison was done between two French rivers, the largely unchannelized lower Allier and the channelized middle Garonne. One reach representative of each river section was selected for the study. Within each river reach, we chose two contrasted study sites in terms of channel and floodplain dynamics: a reference site (least altered channel and floodplain dynamics) and an altered site (laterally stabilized by riprap and constrained). In the four study sites, we sampled vegetation in 402 plots of 4 m2. The 512 species identified in the plots were characterized in terms of plant traits (20) from a literature review. When comparing reaches in unconstrained ordinations and per mutational multivariate analyses of variance, both species composition and plant traits led to a similar identification of the biogeomorphological and the ecological successional trajectories. Nevertheless, the trait approach was less influenced by local and regional bioclimatic, hydrogeomorphological, and anthropogenic settings and thus produced a more comprehensive and general classification of the biogeomorphological and ecological phases of the FBS model. A lower than expected contrast between the four sites was found, because neither species composition nor plant traits could entirely characterize distinct successional trajectories occurring in our reference or altered sites. Furthermore, our results contributed to a better understanding of the multiple successional trajectories that can occur in midlatitude river corridors. It also showed that relating plant traits to their effects on fluvial landform dynamics remains a core challenge in explaining succession including feedback mechanisms between hydrology, morphodynamics, and vegetation dynamics.French National Centre of Scientific Research; French Ministry of Ecology, Environment, Sustainable Development and PlanningTabacchi, E.; González, E.; Corenblit, D.; Garófano-Gómez, V.; Planty-Tabacchi, A.; Steiger, J. (2019). Species composition and plant traits: Characterization of the biogeomorphological succession within contrasting river corridors. River Research and Applications. 35(8):1228-1240. https://doi.org/10.1002/rra.35111228124035

Riparian species and flow regime: ecological studies for application in environmental flow assessments and river restoration (Mijares river, Spain)

Riparian species and flow regime: ecological studies for application in environmental flow assessments and river restoration (Mijares river, Spain

Espacios de gobernanza para la adaptación al cambio global en ríos mediterráneos: el proyecto REDAPTA en las cuencas de los ríos Tordera y Serpis

[EN] The REDAPTA project, "Spaces of Governance for the Adaptation to Global Change in Mediterranean Rivers", developed its activities simultaneously in the Tordera (Catalonia) and Serpis (Valencia Region) river basins. The project worked in collaboration with two "spaces of governance" in the two basins: the "Taula del Delta i de la Baixa Tordera" and the "Plataforma Ciutadana per a la Defensa del Riu Serpis". The methodology used aimed at fostering knowledge exchange and deliberation, delivering an adaptation strategy for the basins including ten measures co-produced with stakeholders. The second result of the REDAPTA project is a handbook describing the concepts and approach used, the main methodological steps of the co-design process and the lessons learned during its implementation. To raise awareness and showcase the importance of public engagement in river monitoring, field visits were organised in the Tordera and the Serpis rivers, including capacity building activities. The participants were able to get to know a river stretch and, by using digital tools developed by the project teams, they could record some observations and indicators for a basic characterisation. Finally, aiming to promote this innovative approach, the project encouraged the exchange of experiences between different organisations in a specific seminar and explored their interest in creating an "Iberian Network of Spaces of Governance for Water Management".[ES] El proyecto REDAPTA, "Espacios de Gobernanza para la Adaptación al Cambio Global en Ríos Mediterráneos", desarrolló sus actividades de forma simultánea en las cuencas de los ríos Tordera (Cataluña) y Serpis (Comunidad Valenciana). El proyecto trabajó en colaboración con dos "espacios de gobernanza": la "Taula del Delta i de la Baixa Tordera" y la "Plataforma Ciutadana per a la Defensa del Riu Serpis". Se siguió una metodología para el proceso de co-diseño, con el objetivo de intercambiar conocimientos y fomentar la deliberación, y el resultado fue un documento estratégico de adaptación, para cada cuenca, que incluye diez medidas concretas de adaptación co-producidas con los actores. El segundo resultado del REDAPTA fue un manual que describe los conceptos y el enfoque aplicados, las principales etapas metodológicas del proceso de co-diseño y las lecciones aprendidas durante su aplicación. Con el objetivo de concienciar a la ciudadanía y visibilizar la importancia del seguimiento participativo de actuaciones de mejora fluvial, se realizó una actividad en campo en ambos ríos, con una primera parte de capacitación y una segunda de toma de información. Los participantes pudieron conocer un tramo del río y, utilizando las herramientas digitales desarrolladas por el proyecto, pudieron registrar diferentes observaciones e indicadores para su caracterización básica. Por último, con el fin de promover el enfoque innovador del proyecto, se llevó a cabo una jornada de intercambio de experiencias entre diferentes organizaciones, explorando su interés en crear una "Red Ibérica de Espacios de Gobernanza para la Gestión del Agua".Broekman, A.; Garófano-Gómez, V.; Martinez-Capel, F.; Sanchez-Plaza, A. (2021). Espacios de gobernanza para la adaptación al cambio global en ríos mediterráneos: el proyecto REDAPTA en las cuencas de los ríos Tordera y Serpis. RestauraRíos. 1:1-16. https://doi.org/10.51443/RestauraRios.2021.01S116

Une analyse écologique orientée vers des processus d’un système riverain dynamique: la rivière Allier aval (France)

International audienceRiparian ecosystems are highly dynamic ecosystems subjected to hydrogeomorphological processes. Their geomorphological, sedimentological and hydrological heterogeneity makes them one of the richest ecosystems in terms of species diversity. In addition, riparian zones also provide numerous ecosystem functions and services to society. In the European context, the lower river Allier (France) is one of the last remaining rivers with laterally dynamic sections. Its historical evaluation has shown repeated river bed displacements during the last century. Spatio-temporal processes on a highly mobile river section of the lower river Allier have been studied analysing the mosaic of vegetation types and successional phases as well as physical habitat parameters. Understanding riparian ecosystem functioning and evolution in natural or nearly natural systems is essential for river restoration practices in highly degraded rivers. This understanding may lead to the establishment of better sustainable river rehabilitation targets that consider societal needs and natural processes.Les écosystèmes riverains sont des écosystèmes dynamiques soumis aux processus hydrogéomorphologiques avec une forte hétérogénéité géomorphologique, sédimentologique et hydrologique et de nombreux services écosystémiques rendus à la société. Ils font partie des écosystèmes les plus riches en termes de diversité des espèces. Dans le contexte européen, la rivière Allier aval est une des dernières rivières avec des sections à forte mobilité latérale. L'analyse historique a démontré cette forte mobilité latérale des chenaux durant le siècle dernier. Des processus spatio-temporels d'une section de rivière très mobile ont été étudiés à travers l'analyse de la mosaïque des types de végétation, les phases de succession, ainsi que les paramètres physiques des habitats. Comprendre le fonctionnement et l'évolution des écosystèmes riverains dans des systèmes naturels ou proche de l'état naturel est essentiel pour la restauration des cours d'eau très dégradées, afin de permettre la mise en place de stratégies de réhabilitions durables qui considèrent les besoins de la société et les processus naturels

Assessing hydromorphological and floristic patterns along a regulated Mediterranean river : The Serpis River (Spain)

In the European context, several methodologies have been developed to assess the ecological status and, specifically, the hydromorphological status of running surface waters. Although these methodologies have been widely used, few studies have focused on hydrologically altered water bodies and the factors that may determine their status. In this study, the Serpis River was divided into 16 segments from the Beniarr'es dam (40 km from the river mouth) to the sea, all of which are affected by flow regulation, but with different severity. In each segment, an inventory of the flora was conducted, and hydromorphological indices (QBR, Riparian Habitat Quality Index; and IHF, River Habitat Index) were applied. The objectives of the study were (A) to identify relationships between floristic composition and QBR components and (B) between instream habitat characteristics and IHF components as well as (C) to determine the main factors controlling the floristic composition and riparian habitat quality (QBR) and the factors controlling instream habitat characteristics and heterogeneity (IHF). A cluster analysis allowed grouping sites according to their floristic composition and instream habitat characteristics, and non-metric multidimensional scaling (NMDS) was used to ordinate the sites, obtaining the biotic and instream habitat characteristics, as well as the QBR and IHF subindices, which better explained the spatial patterns. Finally, a canonical correspondence analysis (CCA) with predictor variables (geographical, hydrological, geomorphological and human pressures) indicated the main factors controlling the spatial patterns of the floristic composition, instreamhabitat characteristics, riparian habitat quality and instream habitat heterogeneity. A gradient of riparian and instream habitat quality was identified. Our results suggest that physical constraints (presence of a gorge) have protected sites from severe human impacts, resulting in good ecological quality, despite hydrological alteration. This area, where there is geomorphological control, could be potentially reclassified into a different ecotype because regular monitoring could be using incorrect references for index scores, and naturally high scores could be confused with recovery from hydrological alteration or other pressures. The sites with the worst quality were near the river mouth and were characterised by an artificial and highly variable flow regime (related to large autumnal floods and frequent human-induced periods of zero flow). This artificial flow variability as well as the presence of lateral structures in the river channel and geomorphological characteristics were identified as the main factors driving the hydromorphological and floristic pattern in this regulated river.Diversas metodologías han sido desarrolladas en el contexto europeo para evaluar el estado ecológico, y específicamente el estado hidromorfológico de las aguas superficiales. Aunque éstas han sido ampliamente utilizadas, pocos estudios se han centrado en masas de agua hidrológicamente alteradas y en los factores que condicionan su estado. En este estudio, el río Serpis fue dividido en 16 segmentos desde la presa de Beniarrés (a 40 km de la desembocadura) hasta el mar, todos ellos afectados por la regulación de caudales con distinta severidad. En cada segmento se realizó un inventario florístico y se aplicaron índices hidromorfológicos (QBR, Calidad del Bosque de Ribera, e IHF, Índice de Hábitat Fluvial). Los objetivos del estudio fueron (A) identificar relaciones entre la composición florística y los componentes del QBR, (B) entre las caracteríısticas del hábitat fluvial y los componentes del IHF, (C) determinar los principales factores que controlan la composición florística y la calidad del hábitat ripario (QBR), y las características del hábitat fluvial y su heterogeneidad (IHF). Un cluster permitió agrupar los puntos de muestreo según su composición florística y las características del hábitat fluvial, y un escalado multidimensional no-métrico (NMDS) fue usado para ordenar los puntos, obteniendo las variables bióticas y características del hábitat y los subindices del QBR e IHF, respectivamente, que explicaban mejor los patrones espaciales. Finalmente, un análisis de correspondencias canónicas (CCA) con variables predictoras (geográficas, hidrológicas, geomorfológicas y presiones humanas) indicó los principales factores que controlan los patrones espaciales de la composición florística, las características del hábitat fluvial, la calidad del hábitat ripario y la heterogeneidad del hábitat fluvial. Se identificó un gradiente de calidad del hábitat ripario y fluvial. Los resultados sugieren que las limitaciones físicas (presencia de un cañón) han protegido a los tramos de impactos humanos severos, resultando en una buena calidad ecológica a pesar de la alteración hidrológica. Esta zona podría potencialmente ser reclasificada en un ecotipo diferente, ya que un monitoreo regular podría estar usando referencias incorrectas para los índices y sus altas puntuaciones naturales se podrían estar confundiendo con una recuperación de la alteración hidrológica o de otras presiones. Los puntos de muestreo con peor calidad estuvieron cerca de la desembocadura y tuvieron un régimen de caudales alterado y muy variable. Esta variabilidad artificial del caudal, junto con la presencia de estructuras laterales en el cauce y las características geomorfológicas fueron identificadas como los principales factores determinantes del patrón hidromorfológico y florístico en este río regulado

Succession processes of a dynamic riparian ecosystem: the lower Allier River (France)

Riparian ecosystems are highly dynamic and are subject to hydrogeomorphological processes. In Europe, the lower Allier River (France) is one of the last remaining meandering rivers with laterally dynamic sections. For this study, we developed an original method to analyse the vegetation assemblages and succession processes. The analysis includes both spatial and temporal evolution in order to evaluate the shifting paradigm of habitat mosaic at the study site over a 60-year period. On the long-term, floods with low recurrence intervals tend to be important for small scale habitat changes, whereas major flood events lead to major habitat changes. Flood events did not change the overall habitat composition of the active tract but their spatial distribution. The lack of major hydrogeomorphological disturbance observed during the last two decades, however, led to a higher stability of floodplain ecotopes

Riparian species and their relationship with the flow regime in the Mijares River (Spain)

The relationship between flows and riparian vegetation has been described in the Mijares River, one of the most important rivers of the Júcar River basin (Eastern Spain). The three study sites have a flow regime which is regulated by a large dam and several hydropower plants. A hydraulic simulation was done in each site, and the time series of flow and water elevation were calculated for the period 1990-2007. The discharge-elevation curves were calculated in channel cross-sections, based on field data (low flows) and hydraulic simulation of large floods (50, 100 & 500 years intervals)

Exploring the key drivers of riparian woodland successional pathways across three European river reaches

"This is the peer reviewed version of the following article: Muñoz-Mas, R., V. Garófano-Gómez, I. Andrés-Doménech, D. Corenblit, G. Egger, F. Francés, M.T. Ferreira, et al. 2017. ¿Exploring the Key Drivers of Riparian Woodland Successional Pathways across Three European River Reaches.¿ Ecohydrology 10 (8). Wiley: e1888. doi:10.1002/eco.1888, which has been published in final form at https://doi.org/10.1002/eco.1888. This article may be used for non-commercial purposes in accordance with Wiley Terms and Conditions for Self-Archiving."[EN] Climate change and river regulation are negatively impacting riparian vegetation. To evaluate these impacts, process-based models are preferred over data-driven approaches. However, they require extensive knowledge about ecohydrological processes. To facilitate the implementation of such process-based models, the key drivers of riparian woodland successional pathways across three river reaches, in Austria, Portugal, and Spain, were explored, employing two complementary approaches. The principal component analyses highlighted the importance of the physical gradients determining the placement of the succession phases within the riparian and floodplain zones. The generalized additive models revealed that the initial and pioneer succession phases, characteristic of the colonization stage, appeared in areas highly morphodynamic, close in height and distance to the water table, and with coarse substrate, whereas elder phases within the transitional and mature stages showed incremental differences, occupying less dynamic areas with finer substrate. The Austrian site fitted well the current successional theory (elder phases appearing sequentially further up and distant), but at the Portuguese site, the tolerance of the riparian species to drought and flash flood events governed their placement. Finally, at the Spanish site, the patchy distribution of the elder phases was the remnants of formative events that reshaped the river channel. These results highlight the complex relationships between flow regime, channel morphology, and riparian vegetation. The use of succession phases, which rely on the sequential evolution of riparian vegetation as a response to different drivers, may be potentially better reproducible, within numerical process-based models, and transferable to other geographical regions.This work was supported by the IWRM Era-NET Funding Initiative through the RIPFLOW project (references ERACCT-2005-026025, ERA-IWRM/0001/2008, CGL2008-03076-E/BTE), http://www.old.iwrm-net.eu/spip.php, by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through the project SCARCE (Consolider¿Ingenio 2010 CSD2009-00065), and by the project ¿Natural and anthropogenic changes in Mediterranean river drainage basins: historical impacts on rivers morphology, sedimentary flows and vegetation¿ of the Spanish MINECO (CGL2013-44917-R). Virginia Garófano-Gómez received a postdoctoral grant from the Université Blaise Pascal (now: Université Clermont Auvergne). Rui Rivaes benefited from a PhD grant (SFRH/BD/52515/2014) sponsored by Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT) under the FCT PhD programme FLUVIO¿River Restoration and Management. Patricia María Rodríguez González was funded by FCT through an SFRH/BPD/47140/2008 postdoctoral fellowship and through an FCT Investigator Programme grant (IF/00059/2015). The authors also thank all the colleagues and master students who contributed enthusiastically to the field campaigns of this study.Muñoz Mas, R.; Garófano-Gómez, V.; Andrés Doménech, I.; Corenblit, D.; Egger, G.; Francés, F.; Ferreira, M.... (2017). Exploring the key drivers of riparian woodland successional pathways across three European river reaches. Ecohydrology. 10(8):1-19. https://doi.org/10.1002/eco.1888S11910