Nitrogen and phosphorus relationships to benthic algal biomass in temperate streams

Walter K. Dodds, Val H. Smith, and Kirk Lohman

Abstract: Knowledge of factors limiting benthic algal (periphyton) biomass is central to understanding energy flow in stream ecosystems and stream eutrophication. We used several data sets to determine how water column nutrients and nonnutrient factors are linked to periphytic biomass and if the ecoregion concept is applicable to nutrient–periphyton relationships. Literature values for seasonal means of biomass of periphyton, nutrient concentrations, and other stream characteristics were collected for almost 300 sampling periods from temperate streams. Data for benthic chlorophyll and nutrient concentrations from a subset of 620 stations in the United States National Stream Water-Quality Monitoring Networks were also analyzed. The greatest portion of variance in models for the mean and maximum biomass of benthic stream algae (about 40%) was explained by concentrations of total N and P. Breakpoint regression and a two-dimensional Kolmogorov–Smirnov statistical technique established significant breakpoints of about 30 µg total P·L^–1 and 40 µg total N·L^–1, above which mean chlorophyll values were substantially higher. Ecoregion effects on nutrient–chlorophyll relationships were weak. Ecoregion effects were cross-correlated with anthropogenic effects such as percent urban and cropland area in the watershed and population density. Thus, caution is necessary to separate anthropogenic effects from natural variation at the ecoregion level.

Résumé : La connaissance des facteurs qui limitent la biomasse des algues benthiques (périphyton) est essentielle à la compréhension de l'eutrophisation des cours d'eau et du passage de l'énergie dans les écosystèmes d'eau courante. L'utilisation de plusieurs séries de données nous a servi à déterminer comment les nutriments et d'autres facteurs non-nutritionnels de la colonne d'eau sont reliés à la biomasse des algues et de voir si le concept d'écorégion peut s'appliquer aux relations nutriments–périphyton. Des données de la littérature ont été colligées, représentant presque 300 périodes de récolte sur des cours d'eau tempérés et traitant de biomasse moyenne saisonnière de périphyton, de concentrations de nutriments et d'autres caractéristiques. Nous avons aussi pu analyser des mesures de concentrations de chlorophylle benthique et de nutriments provenant d'un sous-ensemble de 620 stations du United States National Stream Water-Quality Monitoring Networks. Dans les modèles décrivant les biomasses moyennes et maximales des algues benthiques en eau courante, la plus grande partie de la variance (environ 40 %) s'explique par les concentrations totales de N et de P. Des méthodes de régression avec points de rupture et des techniques statistiques bidimensionnelles de Kolmogorov–Smirnov ont permis d'identifier des points de rupture significatifs à environ 30 µg·L^–1 P total et 40 µg·L^–1 N total, au dessus desquels les concentrations sont considérablement plus élevées. Les effets de l'écorégion sur les relations nutriments–chlorophylle sont faibles. Les effets de l'écorégion sont en corrélation croisée avec les effets anthropiques, tels que le pourcentage de terres agricoles ou de surfaces urbanisées dans le bassin versant et la densité de la population. Il faut donc prendre soin de distinguer les effets anthropiques de la variation naturelle à l'échelle de l'écorégion.

[Traduit par la Rédaction]