Riparia: Ecology, Conservation, and Management of Streamside Communities (Aquatic Ecology)

446 Pages·2005·4.92 MB·English

by  Robert J. Naiman - B.S. (1969) California State Polytechnic University - M.A. (1971) University of California Los Angeles - Ph.D. (1974) Arizona State University

RIPARIA

Riparia
Ecology, Conservation,
and Management of
Streamside Communities
Robert J. Naiman
Henri Décamps
Michael E. McClain
With a Foreword by Gene E. Likens
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Contents
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Hydrological Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Ecological Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Landscape Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Cultural Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Rationale for Riparian Ecology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Setting the Stage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2 Catchments and the Physical Template . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Catchments and Hierarchical Patterns of Geomorphic Features . . . . . . . . . . 22
Catchment Form and Channel Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Catchment History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Hierarchical Patterns of Geomorphic Features in Catchments . . . . . . . . . . 28
Geomorphic Processes and Process Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Headwater Erosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Channel Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Floodplain and Channel Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Hydrologic Connectivity and Surface Water–Groundwater Exchange . . . . . . 40
Surface Connectivity and Flooding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
The Dynamics of the Linked Surface–Subsurface Hydrologic System . . . . . 45
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3 Riparian Typology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
The Historical Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Contents
Theoretical Basis for Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Application of Ecological Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Inventory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Emerging Classification Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Geomorphic Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Hierarchical Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Rosgen’s Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Geomorphic Characterization (Aspect I) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Morphologic Description (Aspect II) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
The Process Domain Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
The Hydrogeomorphic Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Biotic Classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Wildlife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Treating Complexity and Heterogeneity in Classification Systems . . . . . . . . . 76
Attributes of an Enduring Classification System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
4 Structural Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Life History Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Morphological and Physiological Adaptations of Riparian Plants . . . . . . . . . . 82
Reproductive Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Distribution, Structure, and Abundance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Identification of Riparian Zones Based on Soils and Vegetation Type . . . . . 91
Biophysical Characteristics of Riparian Soils . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Organic Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Moisture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Fauna . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
General Distributions of Aboveground and Belowground Communities . . . 97
Lateral Zonation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Longitudinal Zonation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Successional and Seasonal Community Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Vegetative Succession . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Faunal Succession . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Density, Basal Area, and Biomass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Biological Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Diversity Theory and Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Vegetative Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Site and Catchment Patterns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Refuges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Factors Controlling Species Richness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
vi
Contents
Faunal Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Diversity of Soil Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Aboveground Fauna Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
5 Biotic Functions of Riparia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Water Use and Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Nutrient Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Overview of Cycles and Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Production Ecology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Growth and Metabolism of Riparian Trees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Timing of Growth and Rates of Net Primary Production . . . . . . . . . . . . . . 138
Litterfall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Mortality Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Root Production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Decomposition Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Principles of Decomposition Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Litter Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Exogenous Nutrient Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Oxygen Tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Nutrient Dynamics During Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Factors Controlling Immobilization of Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Initial Litter Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Exogenous Nutrient Supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Anaerobic Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Mechanisms of Nitrogen Immobilization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Nitrogen Accumulation in Microbial Biomass . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Nitrogen Accumulation in By-Products of Microbial Activity . . . . . . . 153
Decomposition of Riparian Litter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Information Fluxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Microclimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6 Biophysical Connectivity and Riparian Functions . . . . . . . . . . . 159
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Patch Dynamics and a Landscape Perspective of Catchments . . . . . . . . . . . . 161
Nutrient Flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Riparian Zones as Buffers Against Nutrient Pollution from Upland
Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Riparian Zones as Buffers Against High In-Stream Nutrient Levels . . . . . . . 169
Particle-Nutrient Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
vii
Contents
Energy Flows and Food Webs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
Energy Flows Between Riparia and Adjointing Aquatic Systems . . . . . . . . 174
Large Animal Connections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
The Functional Grouping of Large Animal Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . 180
Pacific Salmon Influences on Riparian Ecosystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
7 Disturbance and Agents of Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
Major Categories of Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Human Demography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Resource Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
Technology Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Social Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Riparian Disturbances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Defining Anthropogenic Disturbance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Understanding History: Basic Concepts and Approaches . . . . . . . . . . . . . . 198
Legacies and Lag-Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Cumulative Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Historical Examples of Riparian Alterations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Pervasive Human-Mediated Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Disturbance Ecology: Responses to Stress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Ecological Consequences of Flow Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Extent of Flow Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Effects on Native Species and Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Alterations to Energy and Nutrient Budgets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Basic Ecological Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Consequences of Global Climate and Land Use Changes . . . . . . . . . . . . . . . 221
Climate Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Changes in Temperature Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Changes in Precipitation and Runoff Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Early Snowmelt Runoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Increased Precipitation Variability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
Reduced Discharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Can Riparia Adapt to Climate Change? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
Land Use Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Temperature Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Nutrient Enrichment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
Invasive Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8 Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
viii
Contents
Riparian Management: A Recent and Evolving Concern . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Economic Valuation of Riparia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Social and Cultural Perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
Suitable Management Institutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Information Collection and Dissemination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Riparian Management: A Process Linked to Catchment and to
River Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Riparian Benefits from Catchment Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Riparian Benefits from River Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Catchments and Rivers Benefit from Riparian Management . . . . . . . . . . . 251
Riparian Management: A Highly Specific Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Adaptiveness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Sustainability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
Appropriateness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Timber Harvest Practices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Revegetation of Riverbanks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Human Dimension of Riparian Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
Shared Socioenvironmental Visions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Social-Ecological Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
Communication Needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Riparian Management as an Emerging Issue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9 Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Conserving Riparia for Biodiversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Conserving Riparia for Ecosystem Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Conserving Riparia for their Hydrologic Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Riparian Conservation in a Management Context . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
Human Benefits from Riparian Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Emergence of New Conservation Legislation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Riparian Conservation for the Long Term . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Approaching Scientific Uncertainty in Ecological Problem Solving . . . . . . . 287
Integrating Ecological Knowledge with the Social and Ethical Aspects . . . . 288
Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
10 Restoration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
General Principles and Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Returning to More Natural Hydrologic Regimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Developing a Restoration Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Getting Organized . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Identifying Problems and Opportunities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
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