Surface-groundwater interactions, hydrological regime and land use: impacts on stream functioning for salmonid spawning and incubation phases

Baltijos jūroje yra sutinkamos vienos svarbiausių Atlanto lašišų (Salmo salar L.) ir šlakių (Salmo trutta L.) populiacijų, kurių nerštui ir jauniklių augimui didelę reikšmę turi ir Lietuvos upės. Žinios apie antropogeninius veiksnius, lemiančius upių funkcio- navimą – ypač hidrologinius ekstremumus ir žemėnaudą baseine – yra labai svarbios efektyvioms šių buveinių apsaugos ir atkūrimo priemonėms įgyvendinti. Ši disertacija pristato daugiasluoksnį požiūrį, padedantį suprasti pagrindinius aplinkos veiksnius ir grėsmes trijose Lietuvos upėse (Blendžiavoje, Smiltaitėje, Šventojoje), kuriose yra lašišinių žuvų nerštavietės. Baseino lygmeniu, žemėnaudos tipas koreliuoja su fizikocheminiais parametrais, nulemiančiais skirtingą vandens kokybės atsaką hidrologinių svyravimų metu trijose upėse. Blendžiavos upelis pasižymi gerai išreikštomis pakrančių zonomis ir žemės ūkio naudmenomis kartu su natūraliais plotais, kas pozityviai koreliuoja su aukštu ištirpusio deguonies kiekiu visus metus, įskaitant žemo vandens lygio laikotarpius. Smiltaitės upelyje, kur didelę dalį baseino užima urbanizuotos teritorijos ir dirbami laukai, fiksuojamos vandens parametrų reikšmės, būdingos aukšto trofinio statuso sistemoms. Šventosios upė pasižymi nedideliu suspenduotų dalelių kiekiu ištisus metus dėl didelio miškingų teritorijų užimamo ploto baseine. Priešingai, Blendžiavos baseine potvynių metu mobilizuojamas didelis suspenduotų dalelių kiekis, ką lemia žemės ūkio naudmenų dominavimas baseine ir reikšmingi vagos bei slėnio nuolydžiai. Nerštaviečių lygmeniu in situ buvo nagrinėjamos vidugruntinio vandens fiziko-cheminės savybės sezono eigoje. Hiporėjinis vanduo lizdo zonoje pasižymi didesniu elektriniu laidumu ir amonio koncentracija, rodydamas eutrofines sąlygas, kas su- tampa su paviršinio vandens kokybės tyrimų rezultatais Smiltaitėje. Lašišinių žuvų ikrų inkubacijos pabaigoje temperatūra ir deguonies koncentracija visose trijose upėse nukrenta žemiau lervų išgyvenimui būtino lygio. Be to, žemo vandens lygio periodai sustiprina maistmedžiagių ir organinių medžiagų akumuliaciją, kurios ne tik veikia kaip papildomas deguonies „siurblys“, bet ir skatina bioplėvelės augimą ant lizdo ir jo viduje, trukdydami vandens cirkuliacijai ir deguonies tiekimui. Iš kitos pusės, ikrų dėties struktūra užtikrina geresnį vandens pratekėjimą ir deguonies sąlygas. Aukštesnės deguonies ir nitrato koncentracijos hiporėjinio vandens mėginiuose, imtuose iš lizdo zonos ties ikrų dėtimis kontrastuoja su žemesnėmis koncentracijomis hiporėjiniame vandenyje, imtame iš lizdo pakraščių. Darbe nustatyta akivaizdi gruntinio vandens įtaka nerštavietėms per inkubacijos periodą. Išsikraunančio gruntinio vandens ties neršto lizdais pagrindinis privalumas – pagerėjusi vidugruntinė vandens cirkuliacija. Tai ne tik garantuoja pakankamą deguonies tiekimą ir metabolinių atliekų pašalinimą, bet ir veikia deziltuojančiai, palengvinant lervų judėjimą ir iškilimą į lizdo paviršių. Ši ekosisteminė paslauga yra ypač svarbi tose sistemose, kur upės dugne gausu smulkių nuosėdų. Darbe panaudota laboratorinė mezokosmų sistema leido tirti lašišinių žuvų ikrų dėties biogeochemiją, eksperimentiškai mikromastelyje įvertinant individualių ikrų ir ikrų dėties su jos substratu kvėpavimo ir ekskrecijos rodiklius. Rekonstruotos lašišinių žuvų ikrų dėtys pradžioje veikė kaip amonio šaltinis, atspindėdamos lervų metabolinę ekskreciją, tačiau inkubacijai tęsiantis amonio ir nitrato pašalinimas didėjo dėl oksicinių–hipoksinių mikrozonų formavimosi ir aktyvių nitrifikacijos–denitrifikacijos procesų. Deguonies suvartojimas didėjo kartu su inkubacijos ir lervų vystymosi pažanga bei bioplėvelės augimu. Darbe taikytas daugiapakopis tyrimas padeda integruotai vertinti sudėtingą neršto buveinių funkcionavimą laike ir skirtingais masteliais. Makromasteliu, specifiniuose upės ruožuose aptiktos nepalankios sąlygos yra susijusios su žemės naudojimo ypatumais baseine. Fizikocheminių pokyčių stebėjimas atsižvelgiant į hidrologinius svyravimus leidžia tyrėjams geriau identifikuoti vandens kokybės dinamiką ir suprastėjusios ekologinės būklės momentus, kurie lieka nepastebėti naudojant standartinį monitoringo protokolą. Laboratoriniai tyrimai suteikia galimybę detaliai analizuoti biogeocheminius procesus lašišinių žuvų lizduose, kurių rezultatai gali padėti prognozuoti realių buveinių tinkamumą nerštavietėms ir atrinkti maksimaliai efektyvias litofilinių gyvūnų buveinių atkūrimo ir apsaugos priemones.

The Baltic Sea hosts populations of Atlantic salmon (Salmo salar L.) and sea trout (Salmo trutta L.), which have historically used many Lithuanian watercourses for spawning and juvenile recruitment. Therefore, knowledge about the anthropogenically modified factors behind the functioning of these habitats, particularly hydrological extremes and land use in the catchment, is of practical importance in implementing effective conservation and restoration measures. This thesis presents a multiscale approach to understanding the major environmental drivers and threats in three Lithuanian rivers (Blendžiava, Smiltaitė, Šventoji) hosting salmonid spawning habitats. At the watershed level, land cover is correlated with the physicochemical parameters dictating different water quality responses during hydrological fluctuations in the three rivers. The Blendžiava Stream presents well-expressed riparian zones and agricultural areas with the consistent presence of natural features and covered soils, a trait positively correlated with high oxygen values across the entire year, including during drought periods. The Smiltaitė (syn. Smeltaitė) Stream, with its high share of urbanized areas and uncovered cultivated soils in its catchment area, displays physicochemical parameters characterizing a high trophic status. The Šventoji River (original Lithuanian name is Pajūrio Šventoji – Coastal Šventoji) is characterized by a low amount of suspended solids all year round due to the extensive coverage of forested areas in the watershed. In contrast, in the Blendžiava Stream watershed, flood periods have the potential to mobilize a high load of suspended solids, enhanced by the dominance of agricultural areas, a steeper bed, and valley slopes. Regarding spawning areas, the spatiotemporal variations of the intragravel water parameters is investigated. Hyporheic water in the nest area has higher values in conductivity and ammonium, signalling eutrophic conditions. This is in line with the findings in surficial water quality from the Smiltaitė Stream. As the incubation period approaches the final phase, temperature and oxygen values drop down to below the level necessary for larvae survival in all three rivers. Moreover, periods of low waterflow enhance the presence of nutrients and organic matter that not only act as a further oxygen sink, but also boost the growth of ephyphiton layers both on and inside the nest, hampering water circulation and oxygen delivery. The structure of the egg pocket ensures better water circulation and, thus, more oxidative conditions. Higher values of oxygen and nitrate coming from the hyporheic water withdrawn from the proximity of the egg pocket contrast with lower values in the hyporheic water coming from the periphery of the nest. This study also highlights the influence of groundwater in the spawning areas through the incubation period. The main benefit connected to upwelling groundwater seeps is improved intragravel circulation. This not only guarantees adequate oxygen supply and the removal of metabolic waste, but also exerts a desilting action, aiding the movement and consequent swim up of alevins. This ecosystem service appears pivotal in systems with high percentages of fine particles in the streambed. Mesocosm experiments were carried out to explore egg pocket biogeochemistry in terms of respiration and excretion rates, in parallel with the fluxes coming from eggs incubated in water alone. Oxygen consumption increases as the incubation period goes on, in parallel with the advancement of the developmental stage and the expansion of biofilm growth. Reconstructed egg pockets acted as ammonium sources, reflecting increases in the metabolic excretion of larvae at the final stages. Nevertheless, as incubation progresses, ammonium and nitrate removal increases, thanks to the formation of oxichypoxic patches aiding nitrification-denitrification processes. The multiscale approach helps to understand deficiencies found in a specific stretch of watercourse in relation to peculiarities driven by land use. The consideration of physicochemical changes during hydrological fluctuations allows for the detection of the moments in which systems are pushed toward the threshold of their “good ecological status” in terms of the Water Framework Directive (WFD 2000/60/EC). This enables the identification of potential gaps in water quality otherwise hidden by standard monitoring. The use of laboratory setups allows for the fine-scale exploration of biogeochemical processes inside salmonid nest cores, which themselves drive the successful survival of the organisms that exploit this environment in nature. This can yield predictions regarding the potential of real habitats to host spawning grounds, and can also help motivate conservation measures.