A hierarchical model for oxygen dynamics in streams

Authors: Garvey, James E; Whiles, Matt R; Streicher, Dennis

Source: Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, Volume 64, Number 12, December 2007 , pp. 1816-1827(12)

Publisher: NRC Research Press

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Abstract:

Although oxygen frequently limits aquatic ecosystems, broad temporal-spatial oxygen dynamics in streams and consequences for aquatic life are poorly understood. In this perspective, we quantified dissolved oxygen (DO) concentrations (mg·L–1) in six low-gradient streams in Illinois, USA, using semicontinuous data loggers at multiple sites during summer 2005 (a severe drought year) and summer 2006. We then interpreted these patterns in the context of known responses of stream organisms to DO. Daily median and minimum DO concentrations varied among sites, even within streams. Daily mean discharge (m3·s–1) explained as much as 63% of the variance in DO during both the drought and nondrought years, with increasing discharge (often concomitant with declining temperature) causing DO concentrations to increase in most large stream reaches and to decline in many small streams. Biological responses to this variation in DO are uncertain, although our review suggests that minimum daily concentrations within several of these streams may have been insufficient to sustain early life stages of aquatic organisms. We propose a hierarchical conceptual model for understanding DO within temperate streams, suggesting the following constraining factors in descending levels of organization: season, flow (and gradient) plus temperature, geomorphology, organic enrichment, and oxygen demand of macro-organisms.

Bien que l’oxygène soit fréquemment un facteur limitant dans les écosystèmes aquatiques, on en comprend encore mal la dynamique à de grandes échelles temporelle et spatiale dans les cours d’eau et les conséquences pour la vie aquatique. Dans ce contexte, nous avons mesuré les concentrations (mg·L–1) d’oxygène dissous (DO) dans six cours d’eau à pente faible de l’Illinois, É.-U., à l’aide d’enregistreurs de données à fonctionnement semi-continu à plusieurs sites durant les étés 2005 (une année de grande sécheresse) et 2006. Nous avons ensuite interprété les patrons obtenus en fonction des réponses connues des organismes aquatiques à DO. Les concentrations journalières médianes et maximales de DO varient d’un site à l’autre, même dans un même cours d’eau. Le débit journalier moyen (m3·s–1) explique jusqu’à 63 % de la variance de DO, tant durant l’année de sécheresse que durant l’année sans sécheresse; un débit croissant (souvent accompagné de températures déclinantes) fait augmenter les concentrations de DO dans la plupart des grandes sections de cours d’eau et les fait baisser dans plusieurs petits cours d’eau. Les réponses biologiques à cette variation de DO restent incertaines, bien que notre survol indique que les concentrations journalières minimales dans plusieurs de ces cours d’eau auraient pu être trop basses pour la survie des jeunes stades des organismes aquatiques. Nous proposons un modèle conceptuel hiérarchique pour la compréhension de DO dans les cours d’eau tempérés et nous suggérons une liste des facteurs contraignants selon un niveau d’organisation descendant, soit la saison, le débit (et la pente) plus la température, la géomorphologie, l’enrichissement organique et la demande en oxygène des macro-organismes.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: December 1, 2007

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