Broadening the Regulated-River Management Paradigm: A Case Study of the Forgotten Dead Zone Hindering Pallid Sturgeon Recovery

Abstract

The global proliferation of dams within the last half century has prompted ecologists to understand the effects of regulated rivers on large-river fishes. Currently, much of the effort to mitigate the influence of dams on large-river fishes has been focused on downriver effects, and little attention has been given to upriver effects. Through a combination of field observations and laboratory experiments, we tested the hypothesis that abiotic conditions upriver of the dam are the mechanism for the lack of recruitment in Pallid Sturgeon (Scaphirhynchus albus), an iconic large-river endangered species. Here we show for the first time that anoxic upriver habitat in reservoirs (i.e., the transition zone between the river and reservoir) is responsible for the lack of recruitment in Pallid Sturgeon. The anoxic condition in the transition zone is a function of reduced river velocities and the concentration of fine particulate organic material with high microbial respiration. As predicted, the river upstream of the transition zone was oxic at all sampling locations. Our results indicate that transition zones are an ecological sink for Pallid Sturgeon. We argue that ecologists, engineers, and policy makers need to broaden the regulated-river paradigm to consider upriver and downriver effects of dams equally to comprehensively mitigate altered ecosystems for the benefit of large-river fishes, especially for the Pallid Sturgeon.

La proliferación de presas a nivel global durante el último medio siglo, ha llevado a los ecólogos a tratar de comprender los efectos que tiene la regulación de ríos sobre los grandes peces de agua dulce. Actualmente, gran parte de los esfuerzos dirigidos a mitigar la influencia de las presas en los grandes peces de agua dulce se han enfocado en los efectos observados en la porción inferior de las cuencas y poca atención se le ha dado a los efectos río-arriba. A través de una combinación de observaciones de campo y experimentos de laboratorio, se probó la hipótesis de que las condiciones abióticas río-arriba en las presas son el mecanismo que explica las fallas del reclutamiento del esturión pálido (Scaphirhynchus albus), una icónica especie de agua dulce, de gran tamaño, catalogada como amenazada. Se muestra por vez primera que la anoxia en hábitats río-arriba en los reservorios (i.e., zonas de transición entre ríos y reservorios) es probablemente responsable de las fallas en el reclutamiento del esturión pálido. Las condiciones de anoxia en la zona de transición es función de la reducción de la velocidad de flujo del río y la concentración de material orgánico fino particulado, con un alto contenido de respiración microbiana. Como se predijo, las condiciones del río por encima de la zona de transición fueron óxicas en todos los sitios de muestreo. Los resultados indican que las zonas de transición representan un sumidero para el esturión pálido, Se argumenta que los ecólogos, ingenieros y tomadores de decisiones requieren de ampliar el paradigma de la regulación de ríos, con el objeto de incluir los efectos que tienen las presas tanto río-arriba como río-abajo y, así mismo, mitigar sistemáticamente los ecosistemas afectados en beneficio de los grandes peces de agua dulce, especialmente el esturión pálido.

ACKNOWLEDGMENTS

We thank A. Tews and M. Stein for their assistance in collection of Shovelnose Sturgeon broodstock. We also thank M. Jackson and C. Bockholt for allowing us to assist in Pallid Sturgeon spawning at the Gavins Point National Fish Hatchery in 2011 and 2012. R. Richards and R. Rodencal helped collect water quality data. Finally, we thank L. Holmquist, J. Bischoff, M. Toner, M. Talbott, T. Wilcox, B. Buchholz, S. Alexander, and C. Fraser for their efforts in helping to complete the laboratory experiments. The findings and conclusions in the article are those of the authors and do not necessarily represent the views of the U.S. Fish and Wildlife Service. The use of trade names or products does not constitute endorsement by the U.S. Government. This study was performed under the auspices of Montana State University animal care and use protocol 36–07.