Stream ecosystem metabolism plays a critical role in planetary biogeochemical
cycling. Stream benthic habitat complexity and the available
surface area for microbes relative to the free-flowing water volume are
thought to be important determinants of ecosystem metabolism. Unfortunately,
the engineered deepening and straightening of streams for
drainage purposes could compromise stream natural services. Stream
channel complexity may be quantitatively expressed with hydraulic parameters
such as water transient storage, storage residence time, and
water spiralling length. The temperature dependence of whole stream
ecosystem respiration (ER), gross primary productivity (GPP) and net
ecosystem production (NEP = GPP−ER) has recently been evaluated with
a “natural experiment” in Icelandic geothermal streams along a 5−25 ◦C
temperature gradient. There remained, however, a substantial amount of
unexplained variability in the statistical models, which may be explained
by hydraulic parameters found to be unrelated to temperature. We also
specifically tested the additional and predicted synergistic effects of water
transient storage and temperature on ER, using novel, more accurate,
methods. Both ER and GPP were highly related to water transient storage
(or water spiralling length) but not to the storage residence time. While
there was an additional effect of water transient storage and temperature
on ER (r2 = 0.57; P = 0.015), GPP was more related to water transient
storage than temperature. The predicted synergistic effect could not be
confirmed, most likely due to data limitation. Our interpretation, based on
causal statistical modelling, is that the metabolic balance of streams (NEP)
was primarily determined by the temperature dependence of respiration.
Further field and experimental work is required to test the predicted synergistic
effect on ER. Meanwhile, since higher metabolic activities allow
for higher pollutant degradation or uptake, river restoration and management
should promote habitat diversity and complexity (hyporheic zone,
macrophyte patches, substrate heterogeneity), especially for microbial
activity.
Le métabolisme des écosystèmes aquatiques fluviaux joue un rôle critique dans
les cycles biogéochimiques planétaires. La complexité des habitats benthiques
et l’aire disponible pour les microbes par rapport au volume d’eau qui s’écoule
sont considérées comme des facteurs importants pour le métabolisme de l’écosystème.
Malheureusement, le creusement et l’alignement des cours d’eau pour
le drainage des terres pourraient compromettre les services naturels fournis par
les cours d’eau. Cette complexité peut être exprimée quantitativement avec des
paramètres hydrauliques tels que le stokage transitoire de l’eau dans le lit de la
rivière, la durée de résidence du stockage transitoire, et la longueur du flux en
hélice (ou spirale) de l’eau (distance moyenne parcourue par une molécule d’eau
dans la zone d’eau courante libre avant d’entrer dans la zone calme). L’effet de
la température sur la respiration globale des ruisseaux (ER), productivité primaire
brute (GPP) et production nette de l’écosystème (NEP) a récemment été évalué au
travers d’une « expérience naturelle » dans des ruisseaux géothermiques islandais
le long d’un gradient de température de 5−25 ◦C. Il resta, cependant, une quantité
substantielle de variabilité non expliquée par les modèles statistiques, qui pourrait
être expliquée par les paramètres hydrauliques non reliés à la température. Nous
avons aussi tout particulièrement testé les effets additionnels et en synergie du
stokage transitoire de l’eau et de la température sur la respiration, en utilisant de
nouvelles méthodes. ER and GPP furent hautement corrélées au stockage transitoire
de l’eau (ou flux en hélice de l’eau), mais pas à la durée de résidence du
stockage. Le stokage transitoire de l’eau et de la température eurent un effect additionnel
sur ER (r2 = 0,57 ; P = 0,015), en revanche GPP était plus liée au stockage
transitoire de l’eau qu’à la température. L’effet en synergie ne put être confirmé,
probablement dû aux limitations des données. Notre interpretation, basée sur un
modèle statistique causal, est que l’équilibre métabolique des cours d’eau (NEP)
était principalement contrainte par la réponse de la respiration à la température.
D’autres travaux de terrain et expérimentaux sont nécessaires pour tester notre
nouvelle hypothèse d’un effet en synergie sur ER. Dans l’attente, puisqu’une plus
haute activité métabolique permet une rétention ou dégradation plus importante
des polluants, la restoration et la gestion des cours d’eau devraient promouvoir la
diversité et la complexité des habitats (hyporhéos, touffes de macrophytes, hété-
rogénéité du substrat) particulièrement pour l’activité microbienne.
