L E S G R A N D S F L E U V E S V O N T A L A M E R De la production de connaissance à la gestion durable d’environnements d’exception

ranc

e La connectivité latérale, un facteur de contrôle des processus écosystémiques

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r p y qet de la biodiversité des corridors fluviaux

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2009

Klément Tockner

Leibniz‐Institute of Freshwater Ecology and Inland Fisheries

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(IGB) Free University of Berlin (Allemagne)

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L E S G R A N D S F L E U V E S V O N T A L A M E R De la production de connaissance à la gestion durable d’environnements d’exception

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(Elbe River during flooding. Photo: Schwartz)

L E S G R A N D S F L E U V E S V O N T A L A M E R De la production de connaissance à la gestion durable d’environnements d’exception

Unique EcosystemsUnique Ecosystems ra

nce••Topographic lowest point of the landscapeTopographic lowest point of the landscape

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••Mosaic or linear features in a terrestrial matrixMosaic or linear features in a terrestrial matrix

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2009

••Expanding and contracting ecosystemsExpanding and contracting ecosystems

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••Rapid successional processesRapid successional processes

S li k i l d dS li k i l d d

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1e••Strong linkages to terrestrial and groundwater systemsStrong linkages to terrestrial and groundwater systems

••HotHot spots of productivity and biodiversityspots of productivity and biodiversity

22e

Entr

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nov

e••HotHot‐‐spots of productivity and biodiversityspots of productivity and biodiversity

Pulsed ecosystems:

Spatio‐temporalSpatio temporal dynamics of linked aquatic terrestrialaquatic‐terrestrial landscapes

(Photos: Bertoldi et al. RRA. 2009)

Hydrogeomorphic tresholds in riverine floodplainsHydrogeomorphic tresholds in riverine floodplains

(Bertoldi et al. 2009. RRA)

Floodplains as habitat mosaics

Riparian forest

L dIsland Large woodIsland

Backwater

Bare gravel

Channel

(Tagliamento River, NE Italy: Hydrecology Demonstration Site)

Structure meets Structure meets functionfunction

Habitat‐specific sediment respiration ratesp p(Tagliamento)

Habitat Type +2°CRespiration (g C m‐2 yr‐1)

Pond 162 +06%Channel 212 +08%G l 142 14%Gravel 142 +14%Large Wood 503 +20%Vegatated Island 1138 +14%Vegatated Island 1138 +14%Riparian Forest 994 +31%

Floodplain* (t C yr‐1) 863 +20%

* Total Area 1 83 km2* Total Area: 1.83 km2

Sensitivity of sediment respiration to y penvironmental change

Habitat Type +2°CRespiration (g C m‐2 yr‐1)

Pond 162 +06%Channel 212 +08%G l 142 14%Gravel 142 +14%Large Wood 503 +20%Vegatated Island 1138 +14%Vegatated Island 1138 +14%Riparian Forest 994 +31%

Floodplain* (t C yr‐1) 863 +20%

* Total Area 1 83 km2 (Doering et al Ecosystems in revision)* Total Area: 1.83 km2 (Doering et al. Ecosystems. in revision) 

Impact of habitat composition on ecosystem function

Landscape a dscapeComposition

R fRate of anecosystem process

Ecosystem functiony

Functional performance of individual habitatFunctional performance of individual habitat types 

Habitat               FPOM* Respiration       CPOM*          Decomp.       DOC Leach. (g kg‐1) g C m‐2 yr‐1) (g m‐2) (k‐value) (mg l‐1, 25°C)(g kg )    g C m yr )        (g m )            (k value)        (mg l , 25 C)

Rip. forest 40.9 982 425                ‐0.0019 4.5

I l d 23 3 1205 285 0 0023 4 1Island 23.3 1205 285 ‐0.0023               4.1

Large wood 19.3 624 60 ‐0.0019               2.1

Gravel 6.5 168 6 ‐0.0020               0.9

Pond 6.6 160 17 ‐0.0053               0.8

Channel 6.3  292 12 ‐0.0230               0.3

(Tockner et al. 2010)* CPOM > 1mm > FPOM

Floodplains as interacting habitat mosaicshabitat mosaics

Impact of habitat composition, configuration, and p p gconnectivity on ecosystem function

Landscape  Landscape  Landscape a dscapecomposition

a dscapecomposition

a dscapeconfiguration

Nature of 

R f R f

and boundary

Patterns of Rate of an

ecosystem processRate of an

ecosystem processconnection

Ecosystem functiony

(adapted from Lovett et al. 2005)

Hypotheses

Some habitat types even if small in absolute area contributeSome habitat types, even if small in absolute area, contribute disproportionately to predicting whole ecosystem transformative capacitytransformative capacity

Juxtaposition of particular cover habitats alters at least magnitude and maybe even the direction of change in solute 

t ticoncentration

The importance of fine‐scale spatial structure will vary across response variables

(Tagliamento River, NE Italy:Hydroecology Demonstration Site)

Response of ecosystem processes to lresource pulses (Tockner et al. 2010)

L hiDecomposition

BCPAlgae growth

me,

m

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Leaching BCPra

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rea

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Pro

(mas

s p rePro

(mas

s p re

dry drywetdry drywet

PulseTime

PulseTime

Incident light

Solar radiation Air temperature

Regional climate

Stream conditions

I t ti l iW Sp Su A

Incident light

W Sp Su A

FlowStream conditions

Interacting pulses in dynamic floodplains 

W Sp Su A

Snow cover Turbidity

create:Nutrients

W Sp Su A W Sp Su A

Available light Bed load Temperature

W Sp Su AW Sp Su A W Sp Su A W Sp Su AWindows of ecological opportunity

Algal biomass

Win

dow

Win

dow

opportunity

Algal biomass

Animal abundance

Winter Spring Summer Autumn(W) (Sp) (Su) (A)

(Uehlinger, Tockner & Malard 2003;Tockner et al. 2010)

Linked ecosystems: Concave and convex islands(sensu Karaus Alder & Tockner 2005 Wetlands)(sensu Karaus, Alder & Tockner. 2005. Wetlands)

Larvae

EggWater

Subimago

Land/AirImagoFew days

Subimago

Several months

Larvae

EggWater

EmergenceLand/AirImago

EmergenceDispersalMatingOviposition

Growth

Larvae

EggWater

Tisza River: Palingenia longicauda

(Photo: C. Elpers)

(Swarm of H. pellucidula)

Comparision of the pswarming behaviour ofthree Hydropsyche

(Swarm of H. angustipennis)

three Hydropsychespecies

(Swarm of H. angustipennis)

(Swarm of H. exocellata)

(Engels et al. 1996)

Floodplains: Multiple interactive layers

Vertical gradient 

Lateral gradient

Airscape Sediment surface Sedimentscape

(after Langhans & Tockner. In prep.)

Conceptual model of the airscape along a river corridor

Primary air flow: Secondary flow:

p slope ( arm)

corridor

down valley (cold)

up valley (warm)down slope (cold)

up slope (warm)

uniderectional primaryflows can be formed by diurnal meteorologicalcycles

secondary flows can develop because of

cycles 

Micro‐structure of air flow:

ff t f lcomplex internalb d leffects of complex

roughness  distri‐bution (water, se‐diments, vegetation)

boundary layers,wakes, and mixinglayers

Summary ‐ Challengesy g

Challege I: To effectively link hydrogeomorphic and ecological processes, and the relevant feedback processes

Challenge II: Interaction of various pulses (e.g. flow, sediment thermal resource etc pulses) and transfer ofsediment, thermal, resource etc. pulses), and transfer of pulses across aquatic‐terrestrial boundaries?

Challenge III: Hierarchical organization of biodiversity (genes, species, habitats, processes) 

Challenge IV: Integration of the airscape, and its exploitation by organisms with complex life cycle?exploitation by organisms with complex life cycle?

Large Rivers are among the most threatened ecosystems globallyecosystems globally

A European „super‐catchment“ – facilitating the establishment of novel communities

L E S G R A N D S F L E U V E S V O N T A L A M E R De la production de connaissance à la gestion durable d’environnements d’exception

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e Thank You for Your

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-Ly

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2009

Contact: tockner@igb‐berlin.de

www.igb‐berlin.de

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