Roger Calvez

Predicting richness effects on ecosystem function in natural communities: insights from high-elevation streams.

. Despite the increased complexity of experimental and theoretical studies on the biodiversity-ecosystem functioning (B-EF) relationship, a major challenge is to demonstrate whether the observed importance of biodiversity in controlled experimental systems also persists in nature. Due to their structural simplicity and their low levels of human impacts, extreme species-poor ecosystems may provide new insights into B-EF relationships in natural systems. We address this issue using shredder invertebrate communities and organic matter decomposition rates in 24 high-altitude (3200-3900 m) Neotropical streams as a study model. We first assessed the effects of stream characteristics and shredder diversity and abundance on organic matter decomposition rates in coarse- and fine-mesh bags. We found the interaction term shredder richness x shredder abundance had the most significant impact on decomposition rates in the field, although water discharge may also play a role locally. We also examined the relative contribution of the three most abundant shredders on decomposition rates by manipulating shredder richness and community composition in a field experiment. Transgressive overyielding was detected among the three shredder species, indicating complementary resource use and/or facilitation. By integrating survey and experimental data in surface response analyses we found that observed B-EF patterns fit those predicted by a linear model that described litter decomposition rates as a function of increasing shredder richness and the relative abundance of the most efficient shredders. Finally, the validity of our approach was tested in a broader context by using two independent but comparable data sets from 49 French and Swedish streams showing more complex shredder community structure. Results revealed that richness and identity effects on decomposition rates were lost with increasing shredder community complexity. Our approach of combining experimental and empirical data with modeling in species-poor ecosystems may serve as an impetus for new B-EF studies. If theory can explain B-EF in low-diversity ecosystems, it may also have credibility in more complex ones.

Ecological responses to experimental glacier-runoff reduction in alpine rivers.

Glacier retreat is a worldwide phenomenon with important consequences for the hydrological cycle and downstream ecosystem structure and functioning. To determine the effects of glacier retreat on aquatic communities, we conducted a 4-year flow manipulation in a tropical glacier-fed stream. Compared with an adjacent reference stream, meltwater flow reduction induces significant changes in benthic fauna community composition in less than 2 weeks. Also, both algal and herbivore biomass significantly increase in the manipulated stream as a response to flow reduction. After the flow reduction ceased, the system requires 14–16 months to return to its pre-perturbation state. These results are supported by a multi-stream survey of sites varying in glacial influence, showing an abrupt increase in algal and herbivore biomass below 11% glacier cover in the catchment. This study shows that flow reduction strongly affects glacier-fed stream biota, prefiguring profound ecological effects of ongoing glacier retreat on aquatic systems.

Temporal variability in discharge and benthic macroinvertebrate assemblages in a tropical glacier-fed stream

Abstract: High flows are major disturbances in streams and cause benthic communities to vary temporally. Meltwater runoff in glacier-fed streams at temperate—arctic latitudes primarily follows a strong seasonal pattern. In contrast, such streams at the equator show less seasonal, but more-pronounced diel variability in discharge that tracks a year-round diurnal melting—nocturnal freezing cycle of glaciers. Consequently, qualitative and quantitative differences in temporal variability of macrobenthos communities should be expected between highlatitude and tropical glacier-fed streams. We explored temporal variability in density, taxon richness, and community composition of benthic macroinvertebrates and analyzed community responses to flow events at 3 sites along a glacier-fed stream in equatorial Ecuador (0.05, 1.6, and 4.3 km from the glacier front). We obtained continuous flow recordings and sampled fauna at approximately quarterly intervals over 30 mo. Temporal variability in the fauna was aseasonal. However, the overall magnitude of the coefficient of variability (CV) at the 3 sites was not lower than the CV at temperate latitudes. The explanatory power of flow did not differ among discharge parameters 3, 6, 9, 21, and 45 d before sampling. The effect of flow (slopes of regressions of faunal metrics vs flow) did not differ among sites, but the amount of variation explained by flow was significant only at the 2 downstream sites. Little synchrony was found in variability among sites, possibly because of differences among sites in physical characteristics (e.g., refugia space), which moderated the effect of disturbances, and taxonomic composition of communities. Our study is the first to show a close link between hydrological and biological fluctuations in an equatorial glacier-fed stream, a prerequisite for subsequent predictions of consequences of tropical glacier melting on diversity, composition, and stability of stream communities.

Considering groundwater use to improve the assessment of groundwater pumping for irrigation in North Africa

Groundwater resources in semi-arid areas and especially in the Mediterranean face a growing demand for irrigated agriculture and, to a lesser extent, for domestic uses. Consequently, groundwater reserves are affected and water-table drops are widely observed. This leads to strong constraints on groundwater access for farmers, while managers worry about the future evolution of the water resources. A common problem for building proper groundwater management plans is the difficulty in assessing individual groundwater withdrawals at regional scale. Predicting future trends of these groundwater withdrawals is even more challenging. The basic question is how to assess the water budget variables and their evolution when they are deeply linked to human activities, themselves driven by countless factors (access to natural resources, public policies, market, etc.). This study provides some possible answers by focusing on the assessment of groundwater withdrawals for irrigated agriculture at three sites in North Africa (Morocco, Tunisia and Algeria). Efforts were made to understand the different features that influence irrigation practices, and an adaptive user-oriented methodology was used to monitor groundwater withdrawals. For each site, different key factors affecting the regional groundwater abstraction and its past evolution were identified by involving farmers’ knowledge. Factors such as farmer access to land and groundwater or development of public infrastructures (electrical distribution network) are crucial to decode the results of well inventories and assess the regional groundwater abstraction and its future trend. This leads one to look with caution at the number of wells cited in the literature, which could be oversimplified.RésuméLes ressources en eau souterraine dans les zones semi-arides et surtout en Méditerranée font face à une demande croissante pour l’agriculture irriguée et, dans une moindre mesure, pour les usages domestiques. En conséquence, les réserves d’eau souterraines sont affectées et les diminutions des niveaux piézométriques sont largement observées. Cela conduit à de fortes contraintes d’accès aux eaux souterraines pour les agriculteurs, tandis que les gestionnaires s’inquiètent de l’évolution future des ressources en eau. Un problème courant pour l’élaboration des plans de gestion des eaux souterraines est la difficulté d’évaluer les prélèvements individuels d’eau souterraine à l’échelle régionale. Prévoir les tendances futures de ces prélèvements d’eau souterraine est encore plus difficile. La question fondamentale est de savoir comment évaluer les variables du bilan hydrique et leur évolution lorsqu’elles sont profondément associées aux activités humaines, elles-mêmes guidées par d’innombrables facteurs (accès aux ressources naturelles, politiques publiques, marché, etc.). Cette étude fournit quelques réponses possibles en se concentrant sur l’évaluation des prélèvements d’eau souterraine pour l’agriculture irriguée dans trois sites en Afrique du Nord (Maroc, Tunisie et Algérie). Des efforts ont été faits pour comprendre les différentes caractéristiques qui influencent les pratiques d’irrigation, et une méthodologie adaptative centrée sur les utilisateurs a été utilisée pour le suivi des prélèvements d’eau souterraine. Pour chaque site, différents facteurs clés affectant l’exploitation des eaux souterraines au niveau régional et leur évolution passée ont été identifiés en faisant appel aux connaissances des agriculteurs. Des facteurs tels que l’accès des agriculteurs aux terres et aux eaux souterraines ou le développement d’infrastructures publiques (réseau de distribution électrique) sont essentiels pour décoder les résultats des inventaires des puits et évaluer l’exploitation régionale des eaux souterraines et leur évolution future. Cela nous conduit à relativiser les relations entre puits et prélèvements dans la littérature, pouvant être très simplificatrices.ResumenLos recursos de agua subterránea en las zonas semiáridas y especialmente en el Mediterráneo se enfrentan a una creciente demanda para el riego en agricultura y, en menor medida, para usos domésticos. En consecuencia, las reservas de agua subterránea se ven afectadas, observándose una amplia profundización de la capa freática. Esto conduce a fuertes limitaciones en el acceso al agua subterránea para los agricultores, mientras que los gestores se preocupan por la evolución futura de los recursos hídricos. Un problema común para la construcción de planes adecuados para el manejo de agua subterránea es la dificultad de evaluar las extracciones individuales de agua subterránea a escala regional. Predecir las tendencias futuras de estas extracciones de aguas subterráneas es aún más difícil. La pregunta básica es cómo evaluar las variables del balance hídrico y su evolución cuando están profundamente vinculadas a las actividades humanas, impulsadas por innumerables factores (acceso a recursos naturales, políticas públicas, mercado, etc.). Este estudio proporciona algunas posibles respuestas centrándose en la evaluación de las extracciones de agua subterránea para el riego en la agricultura en tres lugares del norte de África (Marruecos, Túnez y Argelia). Se realizaron esfuerzos para comprender las diferentes características que influyen en las prácticas de riego y se utilizó una metodología adaptativa orientada al usuario para monitorear las extracciones de agua subterránea. Para cada sitio, se identificaron diferentes factores clave que afectaron la captación regional de agua subterránea y su evolución pasada, involucrando el conocimiento de los agricultores. Factores como el acceso de los agricultores a la tierra y al agua subterránea o el desarrollo de infraestructuras públicas (red de distribución eléctrica) son cruciales para decodificar los resultados de los inventarios de pozos y evaluar la captación regional de agua subterránea y su tendencia futura. Esto lleva a mirar con precaución el número de pozos citados en la literatura, lo cual podría estar demasiado simplificado.摘要在半干旱地区、尤其是在地中海地区,灌溉农业以及家庭用水对地下水资源的需求日益增长,只是家庭用水的程度较小。因此,地下水的储量受到影响,地下水位广泛下降。这导致农民获取地下水受到极大限制,而管理着担心地下水资源未来的演化。在制定适当的地下水管理计划中,常见的问题就是评价区域尺度上单个地下水抽取量非常困难。预测这些地下水抽取量的未来趋势甚至更具挑战性。基本问题就是在水平衡变量与人类活动紧密相连的情况下怎样评价水平衡变量及其演化,而这些人类活动受到无数因素的左右 (自然资源的获取、公共政策、市场等等)。本研究通过重点论述北非三个地方 (摩洛哥、突尼斯和阿尔及利亚) 地下水抽取用于灌溉农业的评价提供了一些可能的答案。努力了解影响灌溉实践的不同特点,采用了一种合适的、面向使用者的方法来监测地下水的抽取量。通过了解农民所掌握的情况,确定了每个地方影响区域地下水抽取的不同关键因素及过去的演化过程。诸如农民使用土地和地下水或者公共基础设施的发展等因素对于解译井目录结果、评价区域地下水抽取量及其将来趋势至关重要。这将使人们谨慎看待可能过于简单化的、文献中记载的井的数量。ResumoOs recursos hídricos subterrâneos em áreas semiáridas e, especialmente, no Mediterrâneo, enfrentam uma demanda crescente pela agricultura irrigada e, em menor escala, pelos usos domésticos. Consequentemente, as reservas de águas subterrâneas são afetadas e o rebaixamento do lençol freático é amplamente observado. Isso acarreta fortes restrições no acesso à água subterrânea para os agricultores, enquanto os gestores preocupam-se com a evolução futura dos recursos hídricos. Um problema comum para a construção de planos adequados de manejo de águas subterrâneas é a dificuldade em avaliar as retiradas individuais de águas subterrâneas em escala regional. Prever tendências futuras dessas retiradas de águas subterrâneas é ainda mais desafiador. A questão básica é como avaliar as variáveis do balanço hídrico e sua evolução quando estão profundamente ligadas às atividades humanas, impulsionadas por inúmeros fatores (acesso a recursos naturais, políticas públicas, mercado, etc.). Este estudo fornece algumas possíveis respostas, concentrando-se na avaliação de retiradas de águas subterrâneas para a agricultura irrigada em três locais no norte da África (Marrocos, Tunísia e Argélia). Esforços foram feitos para compreender as diferentes características que influenciam as práticas de irrigação, e uma metodologia adaptativa orientada ao usuário foi usada para monitorar as retiradas das águas subterrâneas. Para cada sítio, foram identificados diferentes fatores-chave que afetam a captação de águas subterrâneas regionais e a sua evolução anterior, envolvendo o conhecimento dos agricultores. Fatores como o acesso dos agricultores às terras e às águas subterrâneas ou desenvolvimento de infraestruturas públicas (rede de distribuição elétrica) são cruciais para decodificar os resultados dos inventários de poços e avaliar a captação de águas subterrâneas regionais e a sua tendência futura. Isto leva a olhar com cautela para o número de poços citados na literatura, o que poderia ser simplificado demais.

Réponse hydrologique d’un bassin semi-aride aux événements pluviométriques et aménagements de versant (bassin du Merguellil, Tunisie centrale)

RÉSUMÉ L’influence cumulée des aménagements de versants sur les écoulements en zones semi-arides demeure peu étudiée et comprise à l’échelle de grands bassins versants. En Tunisie centrale, nous étudions les variations de la réponse hydrologique du bassin du Merguellil à l’échelle annuelle et pour 114 événements entre 1989 et 2010. Sur cette période, les aménagements de conservation des eaux et des sols ont progressivement drainé de 5% à 30% des surfaces du bassin. L’analyse statistique révèle la forte variabilité des pluies et des débits annuels, mais ne distingue aucune tendance déficitaire. L’approche événementielle démontre que les variations des écoulements annuels sont liées aux apports générés par un nombre très limité (cinq à six par an en moyenne) d’épisodes pluvieux supérieurs à 15 mm. Le nombre très variable de ces évènements ainsi que les écarts importants observés sur leur coefficient de ruissellement (KR) respectif sont déterminants sur les apports annuels. Pour les événements de plus de 60 mm, les différences d’intensités pluviométriques, de couvert végétal et d’humidité du sol réduisent le ruissellement jusqu’à 80%. Toutefois, les KR d’averses de moins de 40 mm, sur des sols au couvert végétal et d’humidité semblables, ont également diminué de 45% après l’extension des aménagements de CES à la fin des années 1990.

Réponse hydrologique d’un bassin semi-aride aux événements pluviométriques et aménagements de versant (bassin du Merguellil, Tunisie centrale) / Hydrological response of a semi-arid catchment to rainfall events and water & soil conservation works (Merguellil catchment, Central Tunisia)

RÉSUMÉ L’influence cumulée des aménagements de versants sur les écoulements en zones semi-arides demeure peu étudiée et comprise à l’échelle de grands bassins versants. En Tunisie centrale, nous étudions les variations de la réponse hydrologique du bassin du Merguellil à l’échelle annuelle et pour 114 événements entre 1989 et 2010. Sur cette période, les aménagements de conservation des eaux et des sols ont progressivement drainé de 5% à 30% des surfaces du bassin. L’analyse statistique révèle la forte variabilité des pluies et des débits annuels, mais ne distingue aucune tendance déficitaire. L’approche événementielle démontre que les variations des écoulements annuels sont liées aux apports générés par un nombre très limité (cinq à six par an en moyenne) d’épisodes pluvieux supérieurs à 15 mm. Le nombre très variable de ces évènements ainsi que les écarts importants observés sur leur coefficient de ruissellement (KR) respectif sont déterminants sur les apports annuels. Pour les événements de plus de 60 mm, les différences d’intensités pluviométriques, de couvert végétal et d’humidité du sol réduisent le ruissellement jusqu’à 80%. Toutefois, les KR d’averses de moins de 40 mm, sur des sols au couvert végétal et d’humidité semblables, ont également diminué de 45% après l’extension des aménagements de CES à la fin des années 1990.

Modélisation glacio-hydrologique et gestion des ressources en eau dans les Andes équatoriennes : l’exemple de Quito

RÉSUMÉ La forte croissance socio-économique de Quito a conduit à d’importants projets de transferts interbassins, intensifiant la mobilisation des ressources d’altitude situées dans des zones écologiques sensibles et connaissant une fonte accélérée des glaciers. Afin d’étudier divers scénarios d’évolutions, nous proposons une modélisation du continuum climat/glacier/hydrologie/gestion des ressources en eau. Utilisant l’outil Water Evaluation and Planning (WEAP), nous avons développé : (1) une modélisation hydro-climatologique semi-distribuée avec des données mensuelles homogénéisées par vectorisation régionale ; (2) une modélisation de la production en eau des glaciers et de leur évolution interannuelle ; (3) une modélisation en unités hydrologiques distinguant différentes couvertures de sols ; et (4) une modélisation de la gestion distinguant droits, allocation et usages de l’eau. Nous présentons les résultats du calage hydrologique mensuel (1963–2006), en étudiant particulièrement l’équifinalité de diverses paramétrisations. Nous montrons la souplesse, la robustesse et les limites de la modélisation proposée, contribuant à cerner différentes incertitudes dans l’évaluation de scénarios prospectifs.