Global Evaluation of the Impacts of Storms on freshwater Habitat and structure of phytoplankton Assemblages
Abstract
Phytoplankton abundance and composition are sensitive to water column conditions which are strongly influenced by weather (e.g., wind and rain) and climate change. The FRB-Cesab GEISHA project was framed in support to the GLEON Stormblitz project to gather and analyse time-series through collaborative efforts to assess the impacts of storms on phytoplankton. The project includes more than 80 researchers from governmental institutes and universities. GEISHA was, among others, able to: gather and standardize existing long-term datasets, assess the impact of storms on nutrients, light, water column stability and subsequent impacts on the structure of phytoplankton communities, perform meta-analyses to evaluate the sensitivity of aquatic ecosystems to extreme weather events, and highlight that biological consequences of storms on phytoplankton are fundamental to the dynamics of lakes and yet are still poorly understood. There is a real need for scientific collaboration to understand the impact of extreme weather events on lakes. This document summarizes, in just a few pages, the project’s context and objectives, the methods and approaches used, the main findings, and the implications for science, society, and both public and private decision-making. _________________________________________________________________________ L’abondance et la composition du phytoplancton sont sensibles aux conditions de la colonnes d’eau qui elles-mêmes sont fortement influencées par la météorologie (ex. le vent et la pluie) et le changement climatique. Imaginé dans le cadre du projet « Stormblitz » du GLEON, le projet FRB-Cesab Geisha a pour objectif d’évaluer les impacts des tempêtes sur les communautés phytoplanctoniques. Geisha a été conçu pour permettre de rassembler et d’analyser des séries chronologiques par le biais d’un effort collaboratif au niveau international. Le projet regroupe plus de 80 chercheurs d’instituts gouvernementales et d’universités. Geisha a notamment permis : de rassembler et standardiser les jeux de données existants, d’évaluer l’impact des tempêtes sur les nutriments, la lumière, la stabilité de la colonne d’eau et les conséquences sur la structure des communautés phytoplanctoniques, d’effectuer des méta-analyses pour évaluer la sensibilité de ces écosystèmes et, de mettre en en évidence que les conséquences biologiques des tempêtes sur le phytoplancton sont fondamentales dans la dynamique des lacs et sont pourtant encore mal comprises. Il y a un réel besoin de collaboration scientifique pour comprendre l’impact des phénomènes météorologiques extrêmes sur les lacs. Ce document synthétise en quelques pages le contexte et les objectifs du groupe, les méthodes et approches utilisées, les principales conclusions ainsi que l'impact pour la science, la société, la décision publique et privée.
Full text
Project summary 1 CESAB CENTRE FOR THE SYNTHESIS AND ANALYSIS OF BIODIVERSITY GEISHA Global Evaluation of the Impacts of Storms on freshwater Habitat and structure of phytoplankton Assemblages Principal investigators: Orlane ANNEVILLE – INRAE (FR); Jason STOCKWELL – University of Vermont (USA); Vijay PATIL – US Geological Survey, Alaska (USA) Postdoc : Jonathan DOUBEK – University of Vermont (USA) Start and finish: 2016-2019 Co-funding organizations: USGS John Wesley Powell Center for Synthesis and Analysis , Université Savoie Mont-Blanc, Fulbright, Ambassade de France au Canada (bourse Mourou/Strickland). GEISHA is part of a series of GLEON projects related to the effects of physical disturbances and water column stability on freshwater plankton communities. Framed within the GLEON Stormblitz project, GEISHA’s goal is to assess the impacts of storms on phytoplankton and provide new frameworks to answer questions on rules of phytoplankton community assembly and succession. Context and objectives Phytoplankton abundance and composition have critical implications for ecological processes and ecosystem services. They are sensitive to water column conditions which are strongly influenced by weather (e.g., wind and rain). Interest in the impact of more frequent extreme weather conditions on biological
2 communities due to climate change is growing in the scientific and management communities. However, the impacts of storms on lake phytoplankton have been poorly addressed, in part because field logistics and statistical issues complicate sampling, replication, and mechanistic attributions to drivers. Such methodological challenges can be circumvented by using long-term data sets. GEISHA was framed in support to the GLEON Stormblitz project to gather and analyse time-series through collaborative efforts. The project includes more than 80 researchers from governmental Institutes and Universities. GEISHA’s goals were to : 1. gather and standardize existing long-term datasets, 2. assess the impact of storms on nutrients, light, water column stability and subsequent impacts on the structure of phytoplankton communities, 3. perform meta-analyses to evaluate the sensitivity of aquatic ecosystems to extreme weather events, 4. provide new frameworks to explore theoretical questions related to phytoplankton diversity, succession and ecosystem resilience to extreme weather events. Methods and approaches used for the project The execution of GEISHA has involved challenges related to the acquisition of high-quality temporal data, and the standardization of phytoplankton datasets based on diverse and ever-changing taxonomic nomenclature in time and among sites. We produced protocols that clearly define the format for datasets and developed a controlled vocabulary. To overcome the challenges associated with heterogeneous datasets and achieve inter-site comparisons of systems, the group adopted trait-based approaches and used appropriate statistical tools to describe communities and deviations from typical seasonal trajectories. As an example, we used multivariate statistics and over-sampling techniques designed to deal with imbalanced data, which are well-suited to assess the impact of rare events. Furthermore, the GEISHA group also applied team-science practices and produced clear policy rules regarding data-sharing and co-authorships, which have been extremely useful to set transparent and agreed-upon boundaries and promote confidence and trust among collaborators. Principal conclusions From our systematic review of the literature, we found a lack of consistency in the definitions of storms within the field of limnology, and we conclude that our understanding of storm impacts is fragmented and incomplete. GEISHA provided a conceptual model that identifies how storms interact with lake and watershed attributes to alter light and nutrient conditions, which then sets the stage for how phytoplankton communities are impacted and respond to abrupt environmental change, based on functional traits of those communities. The datasets compiled during this project have allowed testing of our conceptual model. Results obtained with high-frequency data indicate that storms generally resulted in an ecologically minimal decrease in lake temperature for phytoplankton, suggesting that other changes from storms such as nutrients concentrations or light availability may have a more significant effect on phytoplankton than temperature changes. Time series from long-term monitoring provide interesting to assess the impact of storms on phytoplankton. Data analysis indicated that storms impact the rate of community turnover at the scale of the year. When a storm induces deepening of the thermocline and decrease in lake stability, the disturbance may induce a reversion in the pattern of phytoplankton annual succession. That is, most often, storms are likely to favor fast growing species and low-light adapted strategies that are characteristic of well-mixed conditions, depending on the time of the year and lake-specific characteristics.
3 1st GEISHA Workshop (Aix-en-Provence, CESAB, December 2016) Anticipated (or actual) impact of these results for science, society, and public and private decision making A team-science approach enabled us to develop solid, transparent and agreed-upon boundaries and confidence among GEISHA collaborators. These efforts turned this project into an impressive mould for new networking and future international collaborations. Furthermore, GEISHA was invited by a leading scientific journal (Global Change Biology) to write a review article on the highly relevant and emerging issue of extreme event impacts on lakes. Our work has stimulated efforts on the use of long-term data sets and underlined the value of long-term monitoring. The project has increased the visibility of existing long-term monitoring programs and provides computed derived data which can be used openly for further metaanalyses and are of great interest for inter-lake comparisons. As an example, GEISHA received several queries to use the compiled data in existing or planned large international programs including ISIMIP and H2020. Interest in using morpho-functional approaches to link biodiversity to ecosystem functioning is growing. GEISHA has produced a unique and solid functional classification to facilitate the use of robust, repeatable functional classification systems. The “algaeClassify” R package, available on the CRAN repository, contains R-code designed to facilitate the application of common morpho-functional and lifehistory classifications to phytoplankton species lists and/or trait datasets. GEISHA members are continuing to add functionality to this package, and an open-source development version can be downloaded from github (https://github.com/vppatil/ GEISHA_phytoplankton/tree/master/package%20builds/algaeClassify). This package, will facilitate widespread application of functional diversity classifications to phytoplankton data and provide tools to combine and homogenize datasets that may have been collected at different times and that incorporate different combinations of species names, higher taxonomy and functional traits. Finally, the GEISHA website (https://www.geisha-stormblitz.fr/) provides a place to know more about and follow the project. PARTICIPANTS: R. ADRIAN, IGB (DE) / L. CARVALHO, Centre for Ecology & Hydrology (UK) / CW. CHANG, IE² - National Taiwan University (TW) / G. DUR, Shizuoka University (JP) / CH. HSIEH IE² - National Taiwan University (TW) / M. LAJEUNESSE, University of South Florida (USA) / A. LEWANDOWSKA, University of Helsinki (FI) / M. CARSCALLEN, Dalhousie University (CA) / J. RUSAK, Dorset Environmental Science Centre (CA) / N. SALMASO, Iasma, Fondazione Edmund Mach-Istituto Agrario di S. Michele all’Adige (IT) / F. SCHMITT, LOG-CNRS (FR) / S. SOUISSI, LOG-Université Lille 1 (FR) / D. STRAILE, University of Konstanz (GE) / CT. SELTMANN, IGB (GE) / SJ. THACKERAY, Centre for Ecology & Hydrology (UK) / P. URRUTIA CORDERO, Uppsala University (SE) / P. VENAIL, Forel Institut-University of Geneva (SW) / I. WOOLWAY, Dundalk Institute of Technology (UK) The full list of participants is on www.geisha-stormblitz.fr/Participants
Fiche résultat 1 CESAB CENTRE DE SYNTHÈSE ET D’ANALYSE SUR LA BIODIVERSITÉ GEISHA Evaluation de l’impact des tempêtes sur les habitats et la structure des assemblages phytoplanctoniques d’eau douce à l’échelle de la planète Porteurs du projet : Orlane ANNEVILLE – Inrae (FR) ; Jason STOCKWELL – University of Vermont (USA) ; Vijay PATIL – US Geological Survey, Alaska (USA) Postdoctorant : Jonathan DOUBEK – University of Vermont (USA) Début et fin du projet : 2016 - 2019 Co-financeurs du projet : USGS John Wesley Powell Center for Synthesis and Analysis , Université Savoie Mont-Blanc, Fulbright, Ambassade de France au Canada (bourse Mourou/Strickland). Geisha s’inscrit dans une série de projets Gleon portant sur les effets des perturbations physiques et de la stabilité de la colonne d’eau sur les communautés planctoniques d’eau douce. Imaginé dans le cadre du projet « Stormblitz », Geisha a pour objectif d’évaluer les impacts des tempêtes sur les communautés phytoplanctoniques et de fournir de nouveaux cadres conceptuels pour répondre aux questions sur les règles d’assemblage d’espèces et de succession des communautés. Contexte et objectifs L’abondance et la composition du phytoplancton ont des implications sur le fonctionnement de l’écosystème et les services écosystémiques. Ces paramètres
2 sont sensibles aux conditions de la colonnes d’eau qui, elles-mêmes, sont fortement influencées par la météorologie (ex. le vent et la pluie). En raison du changement climatique, la communauté scientifique et les gestionnaires des milieux aquatiques présentent un intérêt croissant pour l’impact de conditions météorologiques extrêmes sur les communautés biologiques. Cependant, l’impact des tempêtes sur le phytoplancton des lacs a été très peu abordé en raison de difficulté logistiques et analytiques en lien avec la rareté de ces évènements. De tels problèmes peuvent être contournés avec l’utilisation de données environnementales longterme. Geisha a été conçu pour permettre de rassembler et d’analyser des séries chronologiques par le biais d’un effort collaboratif au niveau international. Le projet regroupe plus de 80 chercheurs d’instituts gouvernementales et d’universités. Les objectifs de Geisha étaient de : 1. rassembler et standardiser les jeux de données existants, 2. évaluer l’impact des tempêtes sur les nutriments, la lumière, la stabilité de la colonne d’eau et les conséquences sur la structure des communautés phytoplanctoniques, 3. effectuer des méta-analyses pour évaluer la sensibilité de ces écosystèmes, 4. fournir de nouveaux cadres pour explorer les questions théoriques relatives à la diversité du phytoplancton, à la succession d’espèces et à la résilience des écosystèmes aux évènements météorologiques extrêmes. Méthode et approches utilisées pour le projet Le projet Geisha a relevé des défis tels que de rassembler des données long-termes de qualité et la standardisation de listes d’espèces basées sur une nomenclature taxonomique disparate et en constante évolution. Le projet s’est basé sur la production d’un vocabulaire contrôlé et de protocoles définissant le format des données, sur l’utilisation de traits morpho-fonctionnels et de méthodes statistiques appropriées pour la description des communautés et l’estimation des écarts par rapport aux trajectoires saisonnières caractéristiques. A titre d’exemple, nous avons utilisé des statistiques multivariées et des techniques de sur-échantillonnage conçues pour l’analyse d’évènements rares. Par ailleurs, le groupe Geisha a appliqué des pratiques des « team-sciences » et élaboré des règles claires en matière de partage de données et de rédaction. Cette démarche fut extrêmement utile pour renforcer la transparence et la confiance entre les collaborateurs. Principales conclusions Notre revue systématique de la littérature, nous a permis de mettre en évidence le manque de cohérence dans la définition de « tempête » en limnologie, et de conclure que notre compréhension de l’impact de ces phénomènes météorologiques est fragmentée et incomplète. Geisha fournit un modèle conceptuel expliquant la manière dont les tempêtes interagissent avec les attributs des lacs et des bassins versants pour modifier les conditions (éclairement et nutriments) qui contrôlent les communautés phytoplanctoniques sur la base de leurs traits fonctionnels. Les jeux de données compilés au cours de ce projet ont permis de tester notre modèle conceptuel. Les résultats issus de l’analyse des données haute-fréquences, indiquent que les tempêtes induisent généralement un refroidissement tel que les modifications des communautés seraient plutôt dues à d’autres facteurs tels que les nutriments ou la lumière. Les séries chronologiques issues de la surveillance à longterme constituent un matériel intéressant pour évaluer l’impact des tempêtes. En effet, les tempêtes produisent des perturbations physiques du milieu qui peuvent avoir une incidence sur la vitesse de renouvellement de la communauté et peuvent induire un retour dans la trajectoire des successions saisonnières. On montre ainsi, qu’en fonction de l’année et des caractéristiques des lacs, les tempêtes sont susceptibles de favoriser les espèces à croissance rapide et les stratégies adaptées aux faibles intensités lumineuses.
3 Premier workshop (Aix-en-Provence, Cesab, décembre 2016) Impact pour la science et la société, la décision publique et privée L’application de pratiques « team-science » a permis d’instaurer un climat de confiance et de créer des liens solides entre collaborateurs. Ces efforts ont transformé ce projet en un véritable terreau pour de nouveaux réseaux et collaborations. Par ailleurs, Geisha a été invité par la revue Global Change Biology, à rédiger un article de synthèse sur le problème émergent qu’est l’impact des évènements extrêmes sur les lacs. Geisha a incontestablement stimulé les efforts visant à utiliser des ensembles de données environnementales et a permis de souligner la valeur des suivis à long-terme. Le projet a accru la visibilité des données long-termes et des programmes existants, ainsi que les scientifiques associés qui peuvent être contactés pour des projets futurs. Les données dérivées du projet sont disponibles pour des méta-analyses. Geisha a reçu plusieurs demandes d’utilisation des données pour des projets internationaux existants (Isimip) ou en préparation (H2020). Geisha a produit un outil de classification robuste et reproductible qui facilite l’utilisation de l’approche fonctionnelle. Ce package R nommé « algaeClassify », disponible sous Cran, contient un code conçu pour faciliter l’application des classifications basées sur des traits d’histoire de vie et de caractéristiques morpho-fonctionnelles du phytoplancton. Les membres de Geisha poursuivent son amélioration et une version de développement open source peut être téléchargée à partir de github (https://github.com/vppatil/ GEISHA_phytoplankton/tree/master/package%20builds/algaeClassify). Ce package qui constitue un outil pour combiner et homogénéiser des ensembles de données hétérogènes en terme de nomenclature taxonomique, facilitera l’application généralisée de l’approche fonctionnelle du phytoplancton Enfin, un site dédié à Geisha (https://www.geisha-stormblitz.fr/) offre la possibilité de s’informer et de suivre le projet. PARTICIPANTS : R. ADRIAN, IGB (DE) / L. CARVALHO, Centre for Ecology & Hydrology (UK) / CW. CHANG, IE² - National Taiwan University (TW) / G. DUR, Shizuoka University (JP) / CH. HSIEH IE² - National Taiwan University (TW) / M. LAJEUNESSE, University of South Florida (USA) / A. LEWANDOWSKA, University of Helsinki (FI) / M. CARSCALLEN, Dalhousie University (CA) / J. RUSAK, Dorset Environmental Science Centre (CA) / N. SALMASO, IASMA, Fondazione Edmund Mach-Istituto Agrario di S. Michele all’Adige (IT) / F. SCHMITT, LOG-CNRS (FR) / S. SOUISSI, LOG-Université Lille 1 (FR) / D. STRAILE, University of Konstanz (GE) / CT. SELTMANN, IGB (GE) / SJ. THACKERAY, Centre for Ecology & Hydrology (UK) / P. URRUTIA CORDERO, Uppsala University (SE) / P. VENAIL, Forel Institut-University of Geneva (SW) / I. WOOLWAY, Dundalk Institute of Technology (UK)