Stream hydraulics and temperature determine the metabolism of geothermal Icelandic streams

Abstract

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.