Freshwater projects

Dry lands cover around 47% of Earth's land surface and are currently supporting in excess of 2.6 billion people and are characterized by water shortage (Millennium Ecosystem Assessment, 2005; United Nations, 2011; Cherllet et al., 2018; Koutrolis 2019). In Brazil, the semi-arid region covers 11% of the Brazilian territory and ~22,6 million people currently inhabit this region (IBGE, 2010). The region is characterized by a combination of high evapotranspiration rates, low thermal amplitude, shallow and poorly structured soils and low precipitation with wide spatio-temporal variation (Barbosa et al. 2015).

The Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) reported that tropical regions are among the ones will suffer most from global warming (IPCC, 2014). According to the climate models predictions, global warming will decrease the annual precipitation rates in semi-arid regions (IPCC, 2014; PBMC, 2014) which may affect external and internal nutrient loading, evaporation rates and water levels of lakes and reservoirs, leading to dramatic changes in the water quality, community composition and trophic structure of food webs (Jeppesen et al. 2015).

Despite the urgency, studies dealing with the effects of rainfall reduction in drylands freshwater ecosystems are still lacking. Therefore, my questions are:

(i) Will rainfall reduction increase man-made lakes susceptibility to eutrophication and salinization in drylands? (ii) Will land use intensification magnify these effects on man-made lakes water quality variables? What will be the consequences of these environmental changes for taxonomic, functional and size diversity of freshwater communities? Will rainfall reduction increase or decrease freshwater communities similarity (beta diversity) in semi-arid man-made lakes?

Figure 1. Distribution of drylands in the world. Note that almost 50% of the world is covered by drylands (Source: FAO, 2002)

Abstract: Climate change, specially related to temperature increase and rainfall reduction, will cause severe consequences for the ecological and social systems of the Brazilian semi-arid region. According to the Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), tropical regions are among those that will suffer most from global warming. In tropical semi-arid regions, for instance, frequent and more intense droughts might occur and cause unprecedented shifts in the freshwater ecosystems. The evapotranspiration increase together with rainfall reduction will extend the water deficit in the region for the entire year. This will affect both quality and amount of accumulated water in lakes and reservoirs, intensifying local and regional existing conflicts on water use. The main project's hypothesis is that rainfall decrease will deteriorate water quality and decrease species diversity and accordingly homogenize aquatic communities from semi-arid lakes. To test this hypothesis, sixteen reservoirs were sampled along a gradient of aridity (400 and 1200 mm/year). In each reservoir, phytoplankton, zooplankton, macroinvertebrates, fish and water samples were sampled. A space-for-time substituion approach were also used to predict climate-change effects on water quality and freshwater biodiversity in the man-made lakes. Thus, this project will help to anticipate the consequences of climate change (i.e. rainfall reduction) in drylands freshwater ecosystems.

Resumo: As mudanças climáticas, especialmente o aumento da temperatura e a redução das chuvas, previstas para a região semi-árida brasileira, deverão trazer graves consequências para os sistemas ecológicos e sociais da região. Um aumento da evapotranspiração, decorrente do aumento da temperatura, em conjunto com uma redução das precipitações, aumentará a extensão da deficiência hídrica por praticamente todo o ano. Isto afetará não só a disponibilidade como também a qualidade da água acumulada nos reservatórios, intensificando os conflitos já existentes de uso da água na região. A principal hipótese deste projeto é que a diminuição das chuvas deve reduzir a qualidade da água e a diversidade de espécies aquáticas (i.e. fitoplâncton, zooplâncton, macroinvertebrados bentônicos e peixes), tendo como resultado a homogeneização das comunidades dos ecossistemas lacustres do semiárido. Para testar a hipótese, foram amostrados no final do período chuvoso um total de 16 reservatórios ao longo de um gradiente de precipitação (400 a 1200 mm/ano) na Bacia Hidrográfica do Rio Piranhas-Açu (PB/RN). Em cada reservatório foram coletadas amostras de água e das comunidades de fitoplâncton, zooplâncton, macroinvertebrados e peixes. Para se fazer previsões sobre os efeitos da redução das chuvas sobre as variáveis limnológicas e biológicas dos lagos, foi utilizada uma abordagem comparativa de ecossistemas, utilizando-se o espaço em substituição ao tempo. Este projeto, portanto, poderá ajudar a predizer as consequências das mudanças climáticas sobre os ecossistemas aquáticos da Caatinga.

Abstract

Predicted climate changes for Brazil's north-east region, especially connected to temperature increase, deforestation, shifts in occupation and land use and rainfall reduction, might bring severe consequences to the ecological systems of the region. The increasing evapotranspiration rates in response to rising temperatures, together with rainfall reduction and prolonged droughts will enhance the water deficit of the region during the whole year. Decreasing net-precipitation leads to lower water levels in reservoirs and accordingly an increase in concentration of nutrients and dissolved salts with severe implications for productivity, freshwater biota and environmental complexity. The expected effects on freshwater ecosystems are also result to near lake deforestation and misuse of soil resources for agriculture and livestock. These factors, besides magnifying reservoirs eutrophication and salinization, will lead to taxonomic and functional biodiversity loss and suppression of ecosystem services provided by freshwater ecosystems, reducing their capacity to regenerate to local disturbances. This scenario will bring severe unprecedented consequences to inland waters of Brazil's northeast, such as: (i) shrinkage of water availability and quality in the reservoirs; (ii) habitat and biodiversity loss; and (iii) homogenization of freshwater communities driven either by eutrophication or salinization or both. Therefore, this project hypothesizes that decreasing rainfall will intensify reservoirs eutrophication and salinization, which might reduce water quantity and affect water quality and environmental heterogeneity with severe consequences for freshwater taxonomic and functional biodiversity. To test this hypothesis, we will use biological (phytoplankton, zooplankton, benthic macroinvertebrates and fish), physicochemical, chemical, and land use data that will be sampled from at least fourteen reservoirs inserted along a gradient of aridity (405 to 1,300 mm/year) in the Borborema plateau in the Paraíba State, Brazil. We will check the relationship between predictor, rainfall reduction, with the response variables (biological, physicochemical, chemical and land use). The sampling will be carried at the end of dry and rainy seasons between the years 2019 and 2020. The results of this project might help to predict the consequences of climate changes on freshwater ecosystems of Brazilian drylands.

Resumo

O Nordeste brasileiro deverá sofrer graves consequências nos seus sistemas ecológicos em virtude das mudanças climáticas. As mudanças previstas para essa região estão relacionadas aos efeitos do aumento da temperatura e evapotranspiração, à redução das chuvas e às alterações no uso e ocupação do solo no entorno das bacias hidrográficas. Esses efeitos em conjunto deverão causar uma redução crônica dos níveis de água dos reservatórios com consequente aumento das concentrações de nutrientes e sais e aumento da produtividade primária. Esses fatores, além de magnificarem o processo de eutrofização e salinização dos corpos d'água, poderão levar a perda de biodiversidade taxonômica e funcional. Esse cenário poderá trazer consequências sem precedentes para os ecossistemas aquáticos da região, tais como: (i) redução da disponibilidade e qualidade da água acumulada nos reservatórios; (ii) redução da heterogeneidade ambiental e perda de biodiversidade; e (iii) homogeneização taxonômica e funcional das comunidades aquáticas. Portanto, a principal hipótese deste projeto é que a redução das chuvas aumentará a suscetibilidade dos reservatórios à eutrofização e salinização, com consequentes reduções da heterogeneidade ambiental e diversidade (alfa e beta) de espécies aquáticas. Para testar as hipóteses, amostras de água e da biota aquática (i.e. fitoplâncton, zooplâncton, macroinvertebrados bentônicos e peixes) serão coletadas em pelo menos 14 reservatórios situados no Plateau da Borborema paraibano e distribuídos ao longo de um gradiente de aridez (405 a 1300 mm/ano). As coletas serão realizas ao final dos períodos seco e chuvoso entre os anos de 2019 e 2020. Este projeto, portanto, contribuirá para obtenção de dados empíricos (bióticos e abióticos) úteis para se fazer predições dos impactos da redução das chuvas sobre a qualidade da água e organização das comunidades em ecossistemas lacustres do Plateau da Borborema, os quais eventualmente poderão servir como base para outras regiões do mundo com cenários semelhantes de mudanças climáticas. Adicionalmente, a compreensão dos fatores reguladores da biodiversidade pode ajudar na mitigação dos efeitos das secas sobre os serviços ecossistêmicas e proposição de estratégias mais eficientes para gerenciar os conflitos já existentes de uso da água no Nordeste do Brasil, especialmente no semiárido.

Barbosa, J. E. D. L., E. S. F. Medeiros, J. Brasil, R. D. S. Cordeiro, M. C. B. Crispim & G. H. G. Silva, 2012. Aquatic systems in semi-arid Brazil: limnology and management. Acta Limnologica Brasiliensia, 24: 103–118.

Cherlet, M., Hutchinson, C., Reynolds, J., Sommer, S., von Maltitz, G. (2018) World Atlas of Desertification. Third ed. Publication Office of the European Union, Luxembourg.

IBGE (2010) Síntese de Indicadores Sociais: uma análise das condições de vida da população brasileira 2010. Rio de Janeiro: IBGE, 317p.

IPCC (2014) Climate Change: Impacts, Adaptation, and Vulnerability. Part B: Regional Aspects. Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Barros, V.R., C.B. Field, D.J. Dokken, M.D. Mastrandre, Cambridge University Press.

Jeppesen E, Brucet S, Naselli-Flores L et al. (2015) Ecological impacts of global warming and water abstraction on lakes and reservoirs due to changes in water level and related changes in salinity. Hydrobiologia, 750:201–227

Kotroulis, A. G. (2019) Dryland changes under different levels of global warming. Science of the Total Environment, 655:482-511.

Millennium Ecosystem Assessment (2005) Ecosystems and human well-being: synthesis. Washington (DC): Island Press.

PBMC (2014) Base científica das mudanças climáticas. Contribuição do Grupo de Trabalho 1 do Painel Brasileiro de Mudanças Climáticas. Primeiro Relatório da Avaliação Nacional sobre Mudanças Climáticas [Ambrizzi, T., Araujo, M. (eds.)] 1.