Incremental decreases in discharge of a thermal spring identify tipping points of non-linear environmental change, Death Valley National Park, California, USA

Authors: Donald W. Sada, Ryan Morrison, Mark Stone

Year: 2012 (xliv)

Abstract

Springs are biodiversity hotspots in arid lands, where most of them are isolated from other aquatic systems and many are occupied by rare crenobiontic species. Most of these systems have been altered by anthropogenic activities and few remain in natural condition. Due to regional aridity and the paucity of surface water, southwestern U.S. municipalities and agriculture are increasingly reliant on groundwater. Many hydrologic studies examine the long term viability of groundwater resources but the incremental effects of decreasing spring discharge attributed to groundwater use or climate change on spring-fed aquatic environments and communities are unknown. Controlled field experiments were performed to quantify the effects of 10, 20, 40, and 60 percent reductions on physical and thermal characteristics of a springbrook by: (1) investigating effects on seasonal spatial temperature patterns using a combined hydraulic-temperature model; (2) quantifying changes in physical characteristics of the springbrook channel and aquatic environment, and (3) delineating tipping points that identify levels of decrease exhibiting a non-linear response to decreases. This springbrook environment changed rapidly following relatively small decreases. Tipping points for means and variances of springbrook wetted width, water depth, and habitat volume were associated with less than 20 percent decreases, and the thermal tipping point occurred with a 30 percent decrease during the springtime when daily air temperature variation was greatest. Changes in physical habitat may affect the aquatic ecosystem through several mechanisms. Springbrook length and wetted width describe the total area of substrate, the surface area of benthic macroinvertebrate habitat, and the amount of area receiving energy from allochothonous and autochotonous sources for primary and secondary production. This suggests that primary and secondary productivity may quickly decline, and benthic communities may quickly change, as discharge decreases. A study modeling the influence of decreasing discharge on benthic macroinvertebrates will be summarized in a future publication. Los manantiales son lugares importantes de biodiversidad en las tierras áridas, donde la mayoría de ellos están aislados de otros sistemas acuáticos y muchos están ocupados por unas especies manatiales obligatorias raras. Muchos de estos sistemas han estado alterados por actividades antropogénicos y pocos se encuentran en el estado natural. Debido a la aridez regional y la escasez del agua en el superficie, las municipalidades y los agricultores de la región sureste de los Estados Unidos están cada vez más dependientes de las aguas subterráneas. Muchos estudios hidrológicos examinan la viabilidad de largo plazo de los recursos de agua subterráneas, pero los efectos incrementales de la disminución de descarga de agua atribuidos al uso del agua subterránea o el cambio climático en los entornos acuáticos y comunidades están disconocidos. Experimentos controlados sobre el terreno se realizaron para cuantificar los efectos de unas reducciones de 10, 20, 40 y 60 por ciento en las características físicas y termales de un arroyo manatial por: (1) investigar los efectos en los patrones estacionales de temperatura espaciales usando un modelo combinado de temperatura hidráulica; (2) cuantificar los cambios de las caraterísticas físicas de un arroyo manantial y el entorno acuático; y (3) delinear los puntos de inflexión que identifican los niveles de disminución exhibiendo una respuesta no lineal a la disminución. Este ambiente manantial cambió rápidamente después de unas disminuciones pequeñas. Los puntos de inflexión de las medias y varianzas de la anchura mojada del arroyo, la profunidad del agua y el volumen del hábitat se asociaron con una disminución de menos de 20 por ciento y el punto de inflexción termal se produjo con una disminución de 30 por ciento durante la primavera cuando la variación diaria de la temperatura del aire fue mayor. Los cambios del hábitat físico podrán afectar el ecosistema acuática por algunos mechanismos. La longitud y la anchura mojada del arroyo describen el área total del sustrato, el área del superficie del hábitat de los macroinvertibrados bentónicos y la cantidad del área que recibe energía de fuentes alóctonas y autóctonas para la producción primaria y secundaria. Esto sugiere que la productividad primaria y secundaria podrán disminuir rapidámente y las comuniadades bentónicas podrán cambiar con rápidez mientras la descarga se disminue. Un estudio modelando la influencia de la disminución de descarga en los macroinvertibrados bentónicos se resumirán en una futura publicación.

Resumen

Los manantiales son lugares importantes de biodiversidad en las tierras áridas, donde la mayoría de ellos están aislados de otros sistemas acuáticos y muchos están ocupados por unas especies manatiales obligatorias raras. Muchos de estos sistemas han estado alterados por actividades antropogénicos y pocos se encuentran en el estado natural. Debido a la aridez regional y la escasez del agua en el superficie, las municipalidades y los agricultores de la región sureste de los Estados Unidos están cada vez más dependientes de las aguas subterráneas. Muchos estudios hidrológicos examinan la viabilidad de largo plazo de los recursos de agua subterráneas, pero los efectos incrementales de la disminución de descarga de agua atribuidos al uso del agua subterránea o el cambio climático en los entornos acuáticos y comunidades están disconocidos. Experimentos controlados sobre el terreno se realizaron para cuantificar los efectos de unas reducciones de 10, 20, 40 y 60 por ciento en las características físicas y termales de un arroyo manatial por: (1) investigar los efectos en los patrones estacionales de temperatura espaciales usando un modelo combinado de temperatura hidráulica; (2) cuantificar los cambios de las caraterísticas físicas de un arroyo manantial y el entorno acuático; y (3) delinear los puntos de inflexión que identifican los niveles de disminución exhibiendo una respuesta no lineal a la disminución. Este ambiente manantial cambió rápidamente después de unas disminuciones pequeñas. Los puntos de inflexión de las medias y varianzas de la anchura mojada del arroyo, la profunidad del agua y el volumen del hábitat se asociaron con una disminución de menos de 20 por ciento y el punto de inflexción termal se produjo con una disminución de 30 por ciento durante la primavera cuando la variación diaria de la temperatura del aire fue mayor. Los cambios del hábitat físico podrán afectar el ecosistema acuática por algunos mechanismos. La longitud y la anchura mojada del arroyo describen el área total del sustrato, el área del superficie del hábitat de los macroinvertibrados bentónicos y la cantidad del área que recibe energía de fuentes alóctonas y autóctonas para la producción primaria y secundaria. Esto sugiere que la productividad primaria y secundaria podrán disminuir rapidámente y las comuniadades bentónicas podrán cambiar con rápidez mientras la descarga se disminue. Un estudio modelando la influencia de la disminución de descarga en los macroinvertibrados bentónicos se resumirán en una futura publicación.