Visgemeenschappen als ecologische indicator voor estuaria: de Zeeschelde (België) = Fish assemblages as ecological indicator in estuaries: the Zeeschelde (Belgium)
In: Breine , J 2009 , Visgemeenschappen als ecologische indicator voor estuaria: de Zeeschelde (België) = Fish assemblages as ecological indicator in estuaries: the Zeeschelde (Belgium) . Doctoraten van het Instituut voor Natuur- en Bosonderzoek = PhD theses of the Research Institute for Nature and Forest , no. INBO.T.2009.1 , Instituut voor Natuur- en Bosonderzoek .
The Schelde is a lowland river originating in the northern part of France (St. Quentin), and entering the North Sea near Vlissingen, The Netherlands. The estuary covers about half of its length (355 km) as the tidal influence is stopped by sluices near Gent 160 km upstream. We focused on the Zeeschelde, the estuarine part in Flanders comprising a mesohaline, an oligohaline and a freshwater tidal zone. The Zeeschelde is subject to severe eutrophication as it receives high inputs from domestic, industrial and agricultural activities. The ecological values and nature conservation interests of the Zeeschelde are taken into consideration by a series of (inter)national policy instruments, aiming at a sustainable management and conservation of this aquatic environment. As a result several management plans apply also to the Zeeschelde or to parts of it. The most far-reaching plans are the Long Term Vision for the Schelde estuary (LTVS) and the updated Sigmaplan which combine ecological rehabilitation and sustainable habitat creation with flood control measures and navigation requisites. Compliance with almost all national and international agreements requires monitoring of biota. In the WFD fish is one of the biotic quality elements to be used in order to assess the ecological status of transitional waters. Species composition, abundance and the proportion of disturbance-sensitive species should be quantified. Any distortion attributable to anthropogenic impact is calculated by means of the Ecological Quality Ratio (EQR), representing the difference between monitored data and reference conditions. The fish-based assessment tool that we developed was designed to comply with these criteria. In addition it can be used on a metric level to assess fish species of special interest under the Habitats Directive. The fish assemblages in the Zeeschelde were described based on sampling results recorded over a period of 13 years. An overview was provided of the temporal and spatial variation in those assemblages along the salinity gradient in the Zeeschelde estuary (Chapter 2). The species richness and abundance increased over these years in the different salinity zones of the Zeeschelde. Between 1991 and 2008 a total of 71 fish species were recorded within this part of the estuary. Each salinity zone is characterised by a typical fish assemblage, although some species are shared between all three zones. The observed increase since 2007 in species richness in the freshwater and oligohaline zones coincides with a remarkable increase in dissolved oxygen. Guild specific qualitative Maximal and Good Ecological Potential (MEP/GEP) lists were composed for the different zones within the Zeeschelde estuary and its tidal tributaries (Chapter 3). The geographical range and ecological demands of the detected fish species were assessed. The outcome was decisive for acceptance within these lists, which served to develop a fish-based index for the Zeeschelde. In chapter 4 the ecological goals and associated habitat needs were described for fish populations in estuaries. The Zeeschelde was presented as a case study for the description of ecological goals for the fish species listed in the MEP/GEP lists. In order to make the method more widely applicable we first classified fishes into guilds, relevant for the formulation of ecological goals. Next we described guild-specific ecological goals and defined habitat needs linked with a proper functioning of the estuarine ecosystem. The habitat needs ensure the completion of all lifecycle stages: spawning, breeding, feeding and growth to maturity. A hierarchical approach was adopted to define the goals and habitat needs: from a regional scale to habitat level. On a regional and basin wide scale the essential habitat need is connectivity, on an estuarine scale this is space and on a habitat scale diversity is most important. The proposed ecological goals need further quantification. However in general the rehabilitation of marshes and mudflats and the enhancement of flood control areas as fish habitats, with special attention for connectivity with the estuary, will significantly increase the carrying capacity of the Zeeschelde for most of the relevant populations. In Chapters 5 and 6 two essential habitat needs are discussed in detail. In chapter 5, we modelled the environmental constraints controlling the movements of anadromous and catadromous fish populations that migrate through the tidal watershed of the river Schelde. For remaining diadromous populations (flounder, three-spined stickleback, twaite shad, thinlip mullet, European eel and European smelt) a data driven logistic model was parameterized. We modelled the presence/absence of fish species in samples taken between 1995 and 2004 as a function of temperature, dissolved oxygen, river flow and season. We demonstrated that it is possible to make acceptable predictions about the future spatiotemporal distribution of migrant fishes, even if only relatively limited information is available. An important management issue that derived from our study is that it is essential to avoid at all times DO concentrations below 5 mg l-1 in the freshwater and brackish tidal estuary of the watershed. Restoration of habitats such as marshes and mudflat areas will enhance aeration of the water and help to avoid severe DO drops. The use of tidal marshes for fish and the influence of creek characteristics on the visiting fish assemblages were assessed (Chapter 6). As expected the influence of the salinity gradient is reflected in the different fish assemblages. We caught a high proportion of juveniles suggesting that the creeks are a juvenile habitat. The highest fish abundance was recorded in summer (after hatching) because then juveniles seek shelter in the creeks. It was also observed that the visit frequency was related to creek dimensions and inundation time. Larger creeks, lower in the tidal frame and with a more complex structure, as they include side creeks and permanent pools, are of higher interest for fish. We also observed a positive effect of rivulets on the mudflat adjoining the tidal marsh as they guide the fish towards the creeks. These observations are important for the design of tidal wetland restoration projects. In chapters 7 and 8 different approaches to define a fish-based evaluation tool to assess the ecological quality status of an estuary (the Zeeschelde) were described. The fish index comprises metrics which are ecologically relevant variables that are sensitive to human pressures. A first step in the selection of these metrics consisted in assessing how they evolve along a pressure gradient (graphical selection). In chapter 7 a new concept in the index development was introduced i.e. the balance between type I (false positive) and type II (false negative) errors. The magnitude of these errors was expressed as the area under the curve (AUC). Graphical screening assured the selection of metrics responsive to anthropogenic degradation. We scored metrics by judging the metric value variation in the best available site (quintiles). A forward stepwise regression selected the metric with the best balance between the type I and type II error. Metric selection was continued until the lowest AUC was obtained. To define the EBI thresholds we fixed the maximum type I error of each integrity class threshold at 10%. It was a major concern that not all quality classes can be discriminated because of unbalanced pre-classification data. Secondly the final index had a high type II error, although we believe both types of error should be small. Therefore in the next chapter a different approach was used in order to obtain a better index. In chapter 8 we described the development of a Zone specific fish-based multimetric Estuarine index of Biotic Integrity (Z-EBI) based on fish surveys data from the Zeeschelde estuary (Chapter 2). Again we pre-classified sites using indicators of anthropogenic impact and selected metrics showing a monotone response with pressure classes for further analysis. Metric values were calculated using pooled annual data within one salinity zone and expressed as catch per unit effort. Metrics were selected using a Principal Component Analysis (PCA) combined with a redundancy test. We defined thresholds for the Good Ecological Potential (GEP) from salinity zone specific references developed in chapter 3. andapplied a modified trisection for the other thresholds (moderate, poor and bad). The Z-EBI is defined by the average of the metric scores calculated over a one year period within each zone and translated into an Ecological Quality Ratio (EQR) to comply with the European Water Framework Directive (WFD). The indices integrate structural and functional qualities of the estuarine fish communities and can be used to assess the ecological quality of the Zeeschelde. We successfully validated the Z-EBI performances for habitat degradation in the various habitat zones. With this new index we encompass small temporal and spatial variations within the estuary. It accounts for the seasonal variation and covers the complete salinity zone, which is an improvement compared to the previous index. The developed indices are able to make the distinction between impacted and unimpacted (GEP) status. Our results showed that the ecological status of the Zeeschelde at present varies from bad to moderate. A comparison of the average scores obtained with EBI and Z-EBI indicated that in those cases where a different appreciation appeared, the EBI scores lower. This confirms our view that local and temporal appreciations are too sensitive to small variations, which do not necessarily represent an overall negative impact on the ecosystem functioning. Implementing rehabilitation and conservation measures will improve the ecological quality status of the Zeeschelde. At present the Z-EBI corresponds best with the demands from the different legislations and provides the most holistic information from an ecological point of view. ; De Schelde ontspringt in St. Quentin (Frankrijk) en mondt 355 km verder uit in de Noordzee nabij Vlissingen (Nederland). Tussen Gent en de monding is de Schelde over zowat 160 km onderhevig aan getijdewerking. In deze studie concentreerden we ons op de Zeeschelde (Belgisch estuarium) met haar drie saliniteit zones: een mesohaline zone, een oligohaline zone (inclusief de Rupel) en een zoetwater zone (inclusief de Durme, Dijle, Zenne, Grote en Kleine Nete). De Zeeschelde wordt vervuild door huishoudelijk en industrieel afval en ten gevolge van landbouwactiviteiten. Toch heeft de Zeeschelde een hoog ecologisch potentieel en een natuurwaarde die door nationale en internationale richtlijnen worden gewaarborgd. Voor het verzekeren van natuurherstel, gecombineerd met veiligheid en toegankelijkheid, werd gekozen voor het wenselijk alternatief van het geactualiseerd Sigmaplan. Als onderdeel van de studies die nagaan of aan de verschillende richtlijnen wordt voldaan, is in de meeste gevallen ook een beoordeling vereist van de status van biota. In de Kaderrichtlijn Water wordt vis vooropgesteld als een kwaliteitselement voor het beoordelen van de ecologische status van overgangswater. Een verschuiving tengevolge van menselijke activiteiten in de soortensamenstelling, abundantie en aantal gevoelige soorten wordt weergegeven in een ecologische kwaliteitsratio, die het verschil aantoont tussen de actuele en de referentietoestand. Daarom ontwikkelden we een visindex die gevoelig is voor dergelijke verschuivingen en die tevens elementen opneemt die van belang zijn voor de habitatrichtlijn. Op basis van vangstgegevens, verzameld over 13 jaar, beschreven we de vissamenstelling in de Zeeschelde langsheen de zoutgradiënt (Hoofdstuk 2). In totaal vingen we voor de drie saliniteitszones 71 verschillende soorten. Elke zone was gekenmerkt door een typische visgemeenschap, die we verder onderverdeelden in gildes of ecologische groepen. De toename van het aantal soorten in de verschillende zones viel samen met een verbetering van de waterkwaliteit (opgeloste zuurstof). Op basis van de recente en historische visstandgegevens stelden we referentielijsten samen diebeantwoorden aan het Maximaal Ecologisch Potentieel (MEP) en het Goed Ecologisch Potentieel (GEP) van de drie saliniteitzones in de Zeeschelde vis (Hoofdstuk 3). De geografische spreiding en ecologische vereisten van elke vissoort waren bepalend om deze al dan niet in de lijst op te nemen. Deze referentielijsten werden gebruikt voor het ontwikkelen van een zone specifieke visindex voor het Zeeschelde estuarium. We groepeerden de vissen uit de referentielijsten in gildes en expliciteerden hun ecologische doelstellingen en de ermee geassocieerde habitateisen (Hoofdstuk 4). De aanwezigheid van de vereiste habitatten garandeert dat de betrokken vissen hun levenscyclus kunnen voltooien. Op regionale en bekkenschaal houdt dat ondermeer ecologische connectiviteit in, op estuariene schaal is dat voornamelijk ruimte en op habitatniveau diversiteit. De bescherming en de maatregelen natuurherstel waarbij slikken, schorren en gecontroleerde overstromingsvlaktes worden gerealiseerd, verhogen de draagkracht van de Zeeschelde voor vis. De habitateisen beschreven in hoofdstuk 4 zijn kwalitatief. Om de connectiviteit te kwantificeren modelleerden we omgevingsvariabelen die een belangrijke invloed uitoefenen op de migratie van diadrome vispopulaties in de Zeeschelde (Hoofdstuk 5). Zo modelleerden we de aan- en afwezigheid van migratoren in de Schelde in functie van temperatuur, opgeloste zuurstof, stroomsnelheid en seizoen. We toonden aan dat met relatief weinig informatie aanvaardbare voorspellingen konden gemaakt worden van de ruimtelijke en tijdelijke verspreiding van migrerende vissoorten. Dat in het zoetwater- en brakwatergedeelte een zuurstofconcentratie van minstens 5 mg l-1 een noodzakelijke habitatvereiste blijkt te zijn, is belangrijk voor het estuariumbeheer. De realisatie en bescherming van afdoende oppervlakten slikken en schorren zijn noodzakelijk om de zuurstofuitwisseling te verbeteren. Het gebruik van schorren door vissen en het belang van kreekeigenschappen voor de bezoekende visgemeenschappen verduidelijkten we in hoofdstuk 6. Naargelang het zoutgehalte troffen we in de schorkreken andere visgemeenschappen aan. In alle schorkreken vingen we hoofdzakelijk juveniele exemplaren met een piek in de zomer. De positie van de kreek in het getijdevenster beïnvloedt de bezoekfrequentie van de vissen, dit is ook het geval bij aanwezigheid van een geul op het slik vóór het schor. Kreken die relatief lager liggen, breed zijn en vertakkingen hebben met permanente poelen worden het meest bezocht door vissen. In hoofdstuk 7 beschreven we de ontwikkeling van een op vis gebaseerd scoresysteem: de visindex (EBI). Deze visindex bevat metrieken of ecologisch relevante variabelen die gevoelig zijn voor verstoring. Een metriek die een staalnameplaats bijna altijd een zelfde status geeft als deze bepaald op basis van de omgevingsindicatoren is een goede metriek met een kleine foutenmarge. Het evenwicht tussen type I- en type II- fout kan met een curve weergegeven worden en het oppervlak onder deze lijn (AUC: area under the curve) is een maat voor de performantie van de metriek: hoe kleiner de oppervlakte hoe performanter. Met een stapsgewijze regressieanalyse selecteerden we eerst de metriek met de laagste AUC, waarna we de volgende metriek selecteerden die in combinatie met de eerste een nog kleinere AUC geeft tot uiteindelijk de AUC niet verder afnam. Finaal selecteerden we vijf metrieken en de spreiding van hun gemiddelde waarde werd gebruikt om de grenswaarden van de index te bepalen. Deze index is in staat op basis van één afvissing de kwaliteit van een staalnameplaats vast te leggen. Hij vertoont echter nog enkele tekortkomingen en daarom ontwikkelden wemet een alternatieve benadering nog een andere visindex voor de Zeeschelde (Hoofdstuk 8). Bij de alternatieve benadering opteerden we om voor het berekenen van de metriekwaarden alle gegevens per jaar binnen één zone te combineren. Dat impliceerde dat de resulterende index (Z-EBI) de Zeeschelde per saliniteitzone evalueert, gebaseerd op jaargegevens. Metrieken werden geselecteerd met behulp van statistische analyses, gecombineerd met ecologische achtergrondkennis. De referentielijsten werden gebruikt om grenswaarden voorelke geselecteerde metriek te bepalen. Het gemiddelde van de metriek scores berekend voor één jaar gaf de indexwaarde aan. Deze werd vertaald in een ecologische kwaliteitsratio (EQR) in overeenstemming met de Kaderrichtlijn Water. In elke zone beoordeelt de index structurele en functionele kwaliteiten en bepaalt hij de staat van de ecologische kwaliteit van de Zeeschelde. Door het gebruik van jaargegevens hielden we rekening met seizoensverschillen en door het beoordelen van een totale zone werden eveneens ruimtelijke verschillengeïntegreerd. De indexwaarden toonden aan dat de ecologische status van de Zeeschelde naargelang de zone varieert tussen slecht en matig. Bij een vergelijking van de EBI en Z-EBI scores stelden we vast dat bij een verschil de EBI steeds lager scoorde. Dit bevestigde onze hypothese dat het gebruik van locale en tijdelijke beoordelingen te gevoelig is voor kleine veranderingen die daarenboven niet noodzakelijk een negatieve invloed hebben op het functioneren van het ecosysteem. Momenteel beantwoordt de Z-EBI het best aan de criteria van verschillende richtlijnen en vanuit een ecologisch perspectief verschaft ze de meest holistische beoordeling.
