As comunidades mudam no tempo e espaço em função de pressões decorrentes da estrutura do habitat e disponibilidade de recursos. O entendimento das relações ecológicas e interações das comunidades são essenciais para o manejo com objetivo de melhorar a qualidade da água através de interferências na cadeia trófica aquática e na dinâmica do ecossistema através de modelagem ecológica. O presente estudo foi desenvolvido em dois sistemas límicos subtropicais no extremo sul do Brasil: banhados temporários (‘campos de cultivo de arroz’) e um grande lago raso, lagoa Mangueira. O objetivo do trabalho nos banhados temporários constituiu-se em avaliar a dinâmica das comunidades planctônicas e íctica durante o desenvolvimento desses ecossitemas (um ciclo produtivo de cultivo de arroz). Nossos resultados evidenciaram um claro gradiente temporal direcionado pela disponibilidade de nutrientes no banhado temporário. Entretanto, as variáveis limnológicas não apresentaram nenhuma tendência espacial entre as estações amostrais. Através de regressão linear verificou-se correlação positiva entre clorofila a, nutrientes, biomassa zooplanctônica e, em especial, biomassa de copépodos. Por outro lado, biomassa de peixes e, particularmente, peixes planctívoros foram inversamente relacionados à concentração de clorofila a. Relações significativas entre o DOC com nutrientes, biomassa de plâncton e peixes foram igualmente identificadas ao longo do ciclo produtivo do arroz. Na lagoa Mangueira, sistema raso (zmed 3m), de 90 km de comprimento, o objetivo foi avaliar a distribuição espacial e temporal de plâncton e peixes em função da presença da macrófita emergente Zizaniopsis bonariensis. Além disso, foi verificada a existência de um gradiente longitudinal na lagoa e a estrutura da teia trófica do sistema. Análise de componentes principais e análise de redundância evidenciaram a presença de gradientes espacial (Norte/Sul) e temporal (sazonal) durante o estudo. Análise de similaridade (ANOSIM) aplicada às variáveis ambientais evidenciou diferenças significativas entre os extremos da lagoa (Norte e Sul). Transparência Secchi, DOC e clorofila a foram significativamente diferentes entre os pontos amostrais do Norte e Sul. Através de ANOVA verificou-se que os efeitos temporais sazonais são mais intensos no Norte da lagoa Mangueira. Com relação à estrutura da comunidade na lagoa Mangueira, a biomassa do bacterioplâncton, clorofila a, biomassa zooplanctônica e captura de peixes foram diferentes sazonalmente após a extração do efeito da estrutura de habitat, enquanto que no Sul apenas a clorofila a apresentou variação sazonal significativa. A estrutura de habitat (junto à Z. bonariensis e em água aberta) induziu diferenças significativas na concentração de clorofila a tanto no Norte como no Sul da lagoa Mangueira, após a extração dos efeitos decorrentes da sazonalidade. A captura de peixes também foi influenciada pela estrutura de habitat no Norte, após a extração do efeito sazonal. Análise de similaridade (ANOSIM) aplicada à comunidade de peixes também demonstrou diferenças significativas entre o Norte e o Sul da lagoa Mangueira, embora diferenças entre as áreas vegetadas e águas abertas não tenham sido verificadas. Biomassa dos peixes, número de capturas e riqueza específica foram diferentes entre os pontos amostrais. Baseado nas razões de δ13C and δ15N identificou-se a estrutura trófica da lagoa, bem como a posição trófica de espécies de peixes e as fontes de carbono do sitema. Análise de isótopos estáveis de nitrogênio permitiu a identificação de dois níveis tróficos de peixes na lagoa Mangueira. Macrófitas emergentes e perifíton foram identificadas como importantes fontes de carbono que sustentam a estrutura trófica do sistema. Análise de grupamento a partir de dados de δ13C e δ15N e de conteúdo estomacal identificou um arranjo perfeitamente filogenético entre as espécies de peixes analisadas, refletindo que, em sentido amplo, nichos alimentares são compartilhados por espécies taxonomicamente relacionadas. A dinâmica trófica da espécie de peixe dominante na lagoa, Oligosarcus jenynsii foi também analisada. Foram identificadas mudanças sazonais e ontogenéticas na dinâmica alimentar da espécie, evidenciando a grande plasticidade trófica associada com uma estratégia oportunista, característica de espécies carnívoras generalistas. As informações obtidas neste estudo permitiram identificar grande heterogeneidade espacial e claro gradiente longitudinal na lagoa Mangueira, tanto de fatores bióticos quanto abióticos, com reflexos na distribuição e abundância de plâncton e peixes. De posse destas informações foi possível alcançar um entedimento sobre a estrutura atual do sistema, bem como os direcionadores da sua dinâmica. A abordagem direcionada neste trabalho sobre o entendimento da estrutura atual de um lago raso subtropical possibilita futuros estudos na área da modelagem ecológica. A dinâmica das comunidades abordadas neste estudo vem subsidiar a parametrização de um modelo ecológico, com capacidade de estabelecer prognósticos, tendo como contorno, estressores naturais e antrópicos. / Biological communities change in time and space following driving pressures from differences in habitat structure and resource availability. Understanding the ecological role and interactions within aquatic community is essential for any management action trying to improve water quality by interferences in lake food web, ecosystem dynamics and modeling. The present study was carried out in two freshwater systems in Southern Brazil: an irrigated rice field and in a large shallow system, Mangueira Lake. The goal of this study in temporary wetlands was to evaluate the plankton and fish dynamics during a productive cycle. Our results evidenced a temporal gradient by nutrients availability in the temporary wetland studied. However, the limnological variables did not display any horizontal pattern among sampling stations. Linear regression showed a positive relationship between chlorophyll a and nutrients, zooplankton biomass and copepod biomass. In contrast, fish biomass and planktivorous fish biomass were inversely related to chlorophyll a. Statistically significant relationships between DOC with nutrients, plankton and fish biomass were also identified during the rice production cycle. In Mangueira Lake, a shallow system (zmed 3m) and 90 km long, the goal was to evaluate the spatial and temporal distribution of plankton and fish biomass as a function of the presence of the emergent macrophytes Zizaniopsis bonariensis. We also analyzed the existence of longitudinal gradient in lake and the food web structure in system. The PCA and RDA analyses showed the temporal (seasonal) and spatial (North/South) gradient during the study. Analysis of similarity (ANOSIM) applied to environmental variables showed significant differences between sampling sites (North and South). Secchi transparency, DOC and chlorophyll a were significantly different in North and South sampling sites. ANOVA results showed that season effects are stronger in the Northern sampling site. Concerning the community structure in the Mangueira Lake, bacterioplankton biomass, chlorophyll a, zooplankton biomass and fish captures were different seasonally after extracting the habitat structure effect, while in the Southern sampling site only chlorophyll a presented a seasonal significant variation. Habitat structure (by Z. bonariensis stands and open water samples) induced significant differences in chlorophyll a both in North and South samples after extracting seasonal effect. Fish captures do also responded to habitat structure in the North, after extracting the season effect. Analysis of similarity (ANOSIM) applied to fish community also showed significant differences between North and South, although no significant differences between vegetated and open water zones was observed. Fish biomass, number of captures, and richness were different between sampling sites. Based on the δ13C and δ15N ratios and analysis of stomach content of fish species, we provide also a description of food web structure, trophic positions of fish species and primary producers of system. Analysis of nitrogen isotope ratios yielded two fish trophic levels in Mangueira Lake. Emergent macrophytes and periphyton were important carbon source that sustain the food web structure of the system. Cluster analysis of δ13C and δ15N values and stomach content yielded a perfect phylogenetic arrangement of species. This result reflects that major feeding niches are shared by taxonomically related species. The feeding dynamics of the dominant fish species, Oligosarcus jenynsii was analysed by using analyses of stomach contents and stable isotopes signature. Seasonal and ontogenetic change in the feeding biology of O. jenynsii was identified, showing the high feeding plasticity, in addition to an opportunistic strategy of this generalist carnivore species. This study allows identifying a large spatial heterogeneity and clear longitudinal gradient both in biotic and abiotic factors, reflecting fish and plankton distribution and abundance. The evaluated parameters are intended to feed a mathematical model for the Mangueira Lake, looking for predictable scenarios from natural and anthropogenic stressors.

O objetivo desta Tese foi avaliar o papel da macrófitas submersas em relação à qualidade da água, interações com o fitoplâncton e ciclagem biogeoquímica na Lagoa Mangueira, um grande lago raso subtropical, no sul do Brasil. Para alcançar estes objetivos, este trabalho conta com uma série de abordagens, como: levantamentos de campo, etapas experimentais e uso de modelos ecológicos para avaliar a influência de macrófitas sobre a dinâmica do ecossistema de estudo, cujas águas são intensamente exploradas para suprir a cultura de arroz em sua área de entorno. Ao longo de seus 200km de perímetro litorâneo, a Lagoa apresenta maciços estandes submersos de vegetação. A análise de qualidade da água e estrutura da comunidade fitoplanctônica ao longo de um gradiente de vegetação submersa, partindo da zona litorânea para a zona pelágica (sem vegetação), revelou menor disponilibidade de nutrientes como orto-fosfato (PO4) e menor concentração de clorofila-a (Clo-a), na área com vegetação submersa. Na zona pelágica, os maiores valores de Clo-a foram corroborados pela maior biomassa fitoplanctônica, sendo representada principalmente por espécies de cianobactérias. Tais evidências sugerem o efeito antagônico entre macrófitas e fitoplâncton, como a competição por nutrientes e alelopatia. Em laboratório, estes mecanismos puderam ser comprovados em experimentos de coexistência realizados em microcosmos com 4 espécies de macrófitas nativas e uma cepa da cianobactéria Microcystis aeruginosa. Os testes envolveram níveis distintos de intensidade luminosa e concentração de PO4 visando determinar limiares para a ocorrência de alelopatia. As espécies Cabomba caroliniana e Myriophyllum spicatum se demonstraram potencialmente alelopáticas enquanto que as espécies Ceratophyllum demersum e Egeria densa apresentaram elevada capacidade de absorção de PO4 (±0,35 mg.g-1d-1) reduzindo rapidamente a concentração deste nutriente a valores abaixo de 0,05 mg.L-1. Outra abordadem experimental foi conduzida para parametrizar a cinética da liberação de nutrientes e carbono de 5 espécies de macrófitas durante o processo de decomposição. Com o auxílio de modelos ecológicos, foi simulado o crescimento de macrófitas submersas em lagos subtropicais e temperados. Isto foi realizado visando avaliar a possibilidade de aumento da resilência do estado de dominância por macrófitas em lagos de baixa latidude devido ao crescimento contínuo da vegetação, ao contrário de lagos temperados, onde as plantas morrem sazonalmente em função do inverno rigoroso. Além disso, foram simulados cenários considerando a possibilidade de colapso da vegetação submersa na Lagoa Mangueira em função de intensa tomada da água da Lagoa para irrigação. Com base na modelagem, foi possível estimar limiares de eutrofização para a proliferação do fitoplâncton. Em suma, os resultados comprovaram os mecanismos de retroalimentação positiva de macrófitas submersas sobre a qualidade da água e importância de suas funções ecológicas para o estado trófico e gestão da Lagoa Mangueira. Além disso, este conjunto de informações constitui uma base teórico-prática para o manejo, restauração e conservação de lagos rasos subtropicais e tropicais. / The aim of this Thesis was to evaluate the role of the submerged macrophytes with respect to water quality and, interactions with phytoplankton and nutrient cycling in the large shallow subtropical Lake Mangueira, southern Brazil. To achieve these goals, this work counts with approaches in situ, in laboratory and aplication of ecological modelling to verifify the influence of the submerged vegetation over the dynamics of the ecosystem, whose water is intensively explored to irrigate rice crops around its surrounding area. Over the 200km of the lake littoral perimeter, several submerged macrophyte beds are established. The analysis of water quality and phytoplankton structure along a macrophyte-pelagic gradient revealed lower concentration of orto-phosphate (PO4) and chlorophyll-a (Chlo-a) in the vegetated area. At the pelagic zone, the higher Chlo-a values were corroborated by the higher biomass of phytoplankton, which was mostly composed by cyanobacteria species. Such evidences suggest the antagonistic relantionship between macrophytes and phytoplankton as nutrient competition and allelopathy. Experiments of coexistance, in microcosms, with 4 native submerged macrophytes and a toxic strain of the cyanobacteria Microcystis aeruginosa proved the occurrence of these mechanisms. The experiments included different levels of light intensity and orto-phosphate concentration (PO4) in the medium aiming to identify thresholds in which allelopathy is likely to occur. The macrophytes Cabomba caroliniana and Myriophyllum spicatum showed allelopathic potential while the species Ceratophyllum demersum and Egeria densa showed a high capacity for PO4 absorption (±0.35 mg.g-1d-1), being able to reduce this nutrient to lower levels than 0.05 mg.L-1. Another experimental approach was carried out to parameterize the leaching of nutrients and carbon from 5 macrophytes under decaying process. Moreover, ecological modelling was utilized to simulate the growth of submerged macrophytes in subtropical and temperate lakes. This was done aiming to evaluate the possibility of resilience enhancement of the clear water state in lakes of low latitude because the plants can grow continuously, in contrast with temperate lakes, where they die seasonally due to rigorous winter. In addition, simulation of scenarios considering the collapse of the vegetation in Lake Mangueira because of water uptake for rice crops were carried out in oder to provide elements for the ecosystem management. Through this approach, it was possible to forecast possible eutrophication thresholds for phytoplankton blomming. In conclusion, the results proved the the postive feed-back mechanisms exerted by the submerged macrophytes on the water quality and the importance of their ecological functions to the trophic state of Lake Mangueira. In addition, such information serve as theoretical and practical basis for the management, restoration and conservation of subtropical and tropical shallow lakes.

As comunidades mudam no tempo e espaço em função de pressões decorrentes da estrutura do habitat e disponibilidade de recursos. O entendimento das relações ecológicas e interações das comunidades são essenciais para o manejo com objetivo de melhorar a qualidade da água através de interferências na cadeia trófica aquática e na dinâmica do ecossistema através de modelagem ecológica. O presente estudo foi desenvolvido em dois sistemas límicos subtropicais no extremo sul do Brasil: banhados temporários (‘campos de cultivo de arroz’) e um grande lago raso, lagoa Mangueira. O objetivo do trabalho nos banhados temporários constituiu-se em avaliar a dinâmica das comunidades planctônicas e íctica durante o desenvolvimento desses ecossitemas (um ciclo produtivo de cultivo de arroz). Nossos resultados evidenciaram um claro gradiente temporal direcionado pela disponibilidade de nutrientes no banhado temporário. Entretanto, as variáveis limnológicas não apresentaram nenhuma tendência espacial entre as estações amostrais. Através de regressão linear verificou-se correlação positiva entre clorofila a, nutrientes, biomassa zooplanctônica e, em especial, biomassa de copépodos. Por outro lado, biomassa de peixes e, particularmente, peixes planctívoros foram inversamente relacionados à concentração de clorofila a. Relações significativas entre o DOC com nutrientes, biomassa de plâncton e peixes foram igualmente identificadas ao longo do ciclo produtivo do arroz. Na lagoa Mangueira, sistema raso (zmed 3m), de 90 km de comprimento, o objetivo foi avaliar a distribuição espacial e temporal de plâncton e peixes em função da presença da macrófita emergente Zizaniopsis bonariensis. Além disso, foi verificada a existência de um gradiente longitudinal na lagoa e a estrutura da teia trófica do sistema. Análise de componentes principais e análise de redundância evidenciaram a presença de gradientes espacial (Norte/Sul) e temporal (sazonal) durante o estudo. Análise de similaridade (ANOSIM) aplicada às variáveis ambientais evidenciou diferenças significativas entre os extremos da lagoa (Norte e Sul). Transparência Secchi, DOC e clorofila a foram significativamente diferentes entre os pontos amostrais do Norte e Sul. Através de ANOVA verificou-se que os efeitos temporais sazonais são mais intensos no Norte da lagoa Mangueira. Com relação à estrutura da comunidade na lagoa Mangueira, a biomassa do bacterioplâncton, clorofila a, biomassa zooplanctônica e captura de peixes foram diferentes sazonalmente após a extração do efeito da estrutura de habitat, enquanto que no Sul apenas a clorofila a apresentou variação sazonal significativa. A estrutura de habitat (junto à Z. bonariensis e em água aberta) induziu diferenças significativas na concentração de clorofila a tanto no Norte como no Sul da lagoa Mangueira, após a extração dos efeitos decorrentes da sazonalidade. A captura de peixes também foi influenciada pela estrutura de habitat no Norte, após a extração do efeito sazonal. Análise de similaridade (ANOSIM) aplicada à comunidade de peixes também demonstrou diferenças significativas entre o Norte e o Sul da lagoa Mangueira, embora diferenças entre as áreas vegetadas e águas abertas não tenham sido verificadas. Biomassa dos peixes, número de capturas e riqueza específica foram diferentes entre os pontos amostrais. Baseado nas razões de δ13C and δ15N identificou-se a estrutura trófica da lagoa, bem como a posição trófica de espécies de peixes e as fontes de carbono do sitema. Análise de isótopos estáveis de nitrogênio permitiu a identificação de dois níveis tróficos de peixes na lagoa Mangueira. Macrófitas emergentes e perifíton foram identificadas como importantes fontes de carbono que sustentam a estrutura trófica do sistema. Análise de grupamento a partir de dados de δ13C e δ15N e de conteúdo estomacal identificou um arranjo perfeitamente filogenético entre as espécies de peixes analisadas, refletindo que, em sentido amplo, nichos alimentares são compartilhados por espécies taxonomicamente relacionadas. A dinâmica trófica da espécie de peixe dominante na lagoa, Oligosarcus jenynsii foi também analisada. Foram identificadas mudanças sazonais e ontogenéticas na dinâmica alimentar da espécie, evidenciando a grande plasticidade trófica associada com uma estratégia oportunista, característica de espécies carnívoras generalistas. As informações obtidas neste estudo permitiram identificar grande heterogeneidade espacial e claro gradiente longitudinal na lagoa Mangueira, tanto de fatores bióticos quanto abióticos, com reflexos na distribuição e abundância de plâncton e peixes. De posse destas informações foi possível alcançar um entedimento sobre a estrutura atual do sistema, bem como os direcionadores da sua dinâmica. A abordagem direcionada neste trabalho sobre o entendimento da estrutura atual de um lago raso subtropical possibilita futuros estudos na área da modelagem ecológica. A dinâmica das comunidades abordadas neste estudo vem subsidiar a parametrização de um modelo ecológico, com capacidade de estabelecer prognósticos, tendo como contorno, estressores naturais e antrópicos. / Biological communities change in time and space following driving pressures from differences in habitat structure and resource availability. Understanding the ecological role and interactions within aquatic community is essential for any management action trying to improve water quality by interferences in lake food web, ecosystem dynamics and modeling. The present study was carried out in two freshwater systems in Southern Brazil: an irrigated rice field and in a large shallow system, Mangueira Lake. The goal of this study in temporary wetlands was to evaluate the plankton and fish dynamics during a productive cycle. Our results evidenced a temporal gradient by nutrients availability in the temporary wetland studied. However, the limnological variables did not display any horizontal pattern among sampling stations. Linear regression showed a positive relationship between chlorophyll a and nutrients, zooplankton biomass and copepod biomass. In contrast, fish biomass and planktivorous fish biomass were inversely related to chlorophyll a. Statistically significant relationships between DOC with nutrients, plankton and fish biomass were also identified during the rice production cycle. In Mangueira Lake, a shallow system (zmed 3m) and 90 km long, the goal was to evaluate the spatial and temporal distribution of plankton and fish biomass as a function of the presence of the emergent macrophytes Zizaniopsis bonariensis. We also analyzed the existence of longitudinal gradient in lake and the food web structure in system. The PCA and RDA analyses showed the temporal (seasonal) and spatial (North/South) gradient during the study. Analysis of similarity (ANOSIM) applied to environmental variables showed significant differences between sampling sites (North and South). Secchi transparency, DOC and chlorophyll a were significantly different in North and South sampling sites. ANOVA results showed that season effects are stronger in the Northern sampling site. Concerning the community structure in the Mangueira Lake, bacterioplankton biomass, chlorophyll a, zooplankton biomass and fish captures were different seasonally after extracting the habitat structure effect, while in the Southern sampling site only chlorophyll a presented a seasonal significant variation. Habitat structure (by Z. bonariensis stands and open water samples) induced significant differences in chlorophyll a both in North and South samples after extracting seasonal effect. Fish captures do also responded to habitat structure in the North, after extracting the season effect. Analysis of similarity (ANOSIM) applied to fish community also showed significant differences between North and South, although no significant differences between vegetated and open water zones was observed. Fish biomass, number of captures, and richness were different between sampling sites. Based on the δ13C and δ15N ratios and analysis of stomach content of fish species, we provide also a description of food web structure, trophic positions of fish species and primary producers of system. Analysis of nitrogen isotope ratios yielded two fish trophic levels in Mangueira Lake. Emergent macrophytes and periphyton were important carbon source that sustain the food web structure of the system. Cluster analysis of δ13C and δ15N values and stomach content yielded a perfect phylogenetic arrangement of species. This result reflects that major feeding niches are shared by taxonomically related species. The feeding dynamics of the dominant fish species, Oligosarcus jenynsii was analysed by using analyses of stomach contents and stable isotopes signature. Seasonal and ontogenetic change in the feeding biology of O. jenynsii was identified, showing the high feeding plasticity, in addition to an opportunistic strategy of this generalist carnivore species. This study allows identifying a large spatial heterogeneity and clear longitudinal gradient both in biotic and abiotic factors, reflecting fish and plankton distribution and abundance. The evaluated parameters are intended to feed a mathematical model for the Mangueira Lake, looking for predictable scenarios from natural and anthropogenic stressors.

O objetivo desta Tese foi avaliar o papel da macrófitas submersas em relação à qualidade da água, interações com o fitoplâncton e ciclagem biogeoquímica na Lagoa Mangueira, um grande lago raso subtropical, no sul do Brasil. Para alcançar estes objetivos, este trabalho conta com uma série de abordagens, como: levantamentos de campo, etapas experimentais e uso de modelos ecológicos para avaliar a influência de macrófitas sobre a dinâmica do ecossistema de estudo, cujas águas são intensamente exploradas para suprir a cultura de arroz em sua área de entorno. Ao longo de seus 200km de perímetro litorâneo, a Lagoa apresenta maciços estandes submersos de vegetação. A análise de qualidade da água e estrutura da comunidade fitoplanctônica ao longo de um gradiente de vegetação submersa, partindo da zona litorânea para a zona pelágica (sem vegetação), revelou menor disponilibidade de nutrientes como orto-fosfato (PO4) e menor concentração de clorofila-a (Clo-a), na área com vegetação submersa. Na zona pelágica, os maiores valores de Clo-a foram corroborados pela maior biomassa fitoplanctônica, sendo representada principalmente por espécies de cianobactérias. Tais evidências sugerem o efeito antagônico entre macrófitas e fitoplâncton, como a competição por nutrientes e alelopatia. Em laboratório, estes mecanismos puderam ser comprovados em experimentos de coexistência realizados em microcosmos com 4 espécies de macrófitas nativas e uma cepa da cianobactéria Microcystis aeruginosa. Os testes envolveram níveis distintos de intensidade luminosa e concentração de PO4 visando determinar limiares para a ocorrência de alelopatia. As espécies Cabomba caroliniana e Myriophyllum spicatum se demonstraram potencialmente alelopáticas enquanto que as espécies Ceratophyllum demersum e Egeria densa apresentaram elevada capacidade de absorção de PO4 (±0,35 mg.g-1d-1) reduzindo rapidamente a concentração deste nutriente a valores abaixo de 0,05 mg.L-1. Outra abordadem experimental foi conduzida para parametrizar a cinética da liberação de nutrientes e carbono de 5 espécies de macrófitas durante o processo de decomposição. Com o auxílio de modelos ecológicos, foi simulado o crescimento de macrófitas submersas em lagos subtropicais e temperados. Isto foi realizado visando avaliar a possibilidade de aumento da resilência do estado de dominância por macrófitas em lagos de baixa latidude devido ao crescimento contínuo da vegetação, ao contrário de lagos temperados, onde as plantas morrem sazonalmente em função do inverno rigoroso. Além disso, foram simulados cenários considerando a possibilidade de colapso da vegetação submersa na Lagoa Mangueira em função de intensa tomada da água da Lagoa para irrigação. Com base na modelagem, foi possível estimar limiares de eutrofização para a proliferação do fitoplâncton. Em suma, os resultados comprovaram os mecanismos de retroalimentação positiva de macrófitas submersas sobre a qualidade da água e importância de suas funções ecológicas para o estado trófico e gestão da Lagoa Mangueira. Além disso, este conjunto de informações constitui uma base teórico-prática para o manejo, restauração e conservação de lagos rasos subtropicais e tropicais. / The aim of this Thesis was to evaluate the role of the submerged macrophytes with respect to water quality and, interactions with phytoplankton and nutrient cycling in the large shallow subtropical Lake Mangueira, southern Brazil. To achieve these goals, this work counts with approaches in situ, in laboratory and aplication of ecological modelling to verifify the influence of the submerged vegetation over the dynamics of the ecosystem, whose water is intensively explored to irrigate rice crops around its surrounding area. Over the 200km of the lake littoral perimeter, several submerged macrophyte beds are established. The analysis of water quality and phytoplankton structure along a macrophyte-pelagic gradient revealed lower concentration of orto-phosphate (PO4) and chlorophyll-a (Chlo-a) in the vegetated area. At the pelagic zone, the higher Chlo-a values were corroborated by the higher biomass of phytoplankton, which was mostly composed by cyanobacteria species. Such evidences suggest the antagonistic relantionship between macrophytes and phytoplankton as nutrient competition and allelopathy. Experiments of coexistance, in microcosms, with 4 native submerged macrophytes and a toxic strain of the cyanobacteria Microcystis aeruginosa proved the occurrence of these mechanisms. The experiments included different levels of light intensity and orto-phosphate concentration (PO4) in the medium aiming to identify thresholds in which allelopathy is likely to occur. The macrophytes Cabomba caroliniana and Myriophyllum spicatum showed allelopathic potential while the species Ceratophyllum demersum and Egeria densa showed a high capacity for PO4 absorption (±0.35 mg.g-1d-1), being able to reduce this nutrient to lower levels than 0.05 mg.L-1. Another experimental approach was carried out to parameterize the leaching of nutrients and carbon from 5 macrophytes under decaying process. Moreover, ecological modelling was utilized to simulate the growth of submerged macrophytes in subtropical and temperate lakes. This was done aiming to evaluate the possibility of resilience enhancement of the clear water state in lakes of low latitude because the plants can grow continuously, in contrast with temperate lakes, where they die seasonally due to rigorous winter. In addition, simulation of scenarios considering the collapse of the vegetation in Lake Mangueira because of water uptake for rice crops were carried out in oder to provide elements for the ecosystem management. Through this approach, it was possible to forecast possible eutrophication thresholds for phytoplankton blomming. In conclusion, the results proved the the postive feed-back mechanisms exerted by the submerged macrophytes on the water quality and the importance of their ecological functions to the trophic state of Lake Mangueira. In addition, such information serve as theoretical and practical basis for the management, restoration and conservation of subtropical and tropical shallow lakes.

As comunidades mudam no tempo e espaço em função de pressões decorrentes da estrutura do habitat e disponibilidade de recursos. O entendimento das relações ecológicas e interações das comunidades são essenciais para o manejo com objetivo de melhorar a qualidade da água através de interferências na cadeia trófica aquática e na dinâmica do ecossistema através de modelagem ecológica. O presente estudo foi desenvolvido em dois sistemas límicos subtropicais no extremo sul do Brasil: banhados temporários (‘campos de cultivo de arroz’) e um grande lago raso, lagoa Mangueira. O objetivo do trabalho nos banhados temporários constituiu-se em avaliar a dinâmica das comunidades planctônicas e íctica durante o desenvolvimento desses ecossitemas (um ciclo produtivo de cultivo de arroz). Nossos resultados evidenciaram um claro gradiente temporal direcionado pela disponibilidade de nutrientes no banhado temporário. Entretanto, as variáveis limnológicas não apresentaram nenhuma tendência espacial entre as estações amostrais. Através de regressão linear verificou-se correlação positiva entre clorofila a, nutrientes, biomassa zooplanctônica e, em especial, biomassa de copépodos. Por outro lado, biomassa de peixes e, particularmente, peixes planctívoros foram inversamente relacionados à concentração de clorofila a. Relações significativas entre o DOC com nutrientes, biomassa de plâncton e peixes foram igualmente identificadas ao longo do ciclo produtivo do arroz. Na lagoa Mangueira, sistema raso (zmed 3m), de 90 km de comprimento, o objetivo foi avaliar a distribuição espacial e temporal de plâncton e peixes em função da presença da macrófita emergente Zizaniopsis bonariensis. Além disso, foi verificada a existência de um gradiente longitudinal na lagoa e a estrutura da teia trófica do sistema. Análise de componentes principais e análise de redundância evidenciaram a presença de gradientes espacial (Norte/Sul) e temporal (sazonal) durante o estudo. Análise de similaridade (ANOSIM) aplicada às variáveis ambientais evidenciou diferenças significativas entre os extremos da lagoa (Norte e Sul). Transparência Secchi, DOC e clorofila a foram significativamente diferentes entre os pontos amostrais do Norte e Sul. Através de ANOVA verificou-se que os efeitos temporais sazonais são mais intensos no Norte da lagoa Mangueira. Com relação à estrutura da comunidade na lagoa Mangueira, a biomassa do bacterioplâncton, clorofila a, biomassa zooplanctônica e captura de peixes foram diferentes sazonalmente após a extração do efeito da estrutura de habitat, enquanto que no Sul apenas a clorofila a apresentou variação sazonal significativa. A estrutura de habitat (junto à Z. bonariensis e em água aberta) induziu diferenças significativas na concentração de clorofila a tanto no Norte como no Sul da lagoa Mangueira, após a extração dos efeitos decorrentes da sazonalidade. A captura de peixes também foi influenciada pela estrutura de habitat no Norte, após a extração do efeito sazonal. Análise de similaridade (ANOSIM) aplicada à comunidade de peixes também demonstrou diferenças significativas entre o Norte e o Sul da lagoa Mangueira, embora diferenças entre as áreas vegetadas e águas abertas não tenham sido verificadas. Biomassa dos peixes, número de capturas e riqueza específica foram diferentes entre os pontos amostrais. Baseado nas razões de δ13C and δ15N identificou-se a estrutura trófica da lagoa, bem como a posição trófica de espécies de peixes e as fontes de carbono do sitema. Análise de isótopos estáveis de nitrogênio permitiu a identificação de dois níveis tróficos de peixes na lagoa Mangueira. Macrófitas emergentes e perifíton foram identificadas como importantes fontes de carbono que sustentam a estrutura trófica do sistema. Análise de grupamento a partir de dados de δ13C e δ15N e de conteúdo estomacal identificou um arranjo perfeitamente filogenético entre as espécies de peixes analisadas, refletindo que, em sentido amplo, nichos alimentares são compartilhados por espécies taxonomicamente relacionadas. A dinâmica trófica da espécie de peixe dominante na lagoa, Oligosarcus jenynsii foi também analisada. Foram identificadas mudanças sazonais e ontogenéticas na dinâmica alimentar da espécie, evidenciando a grande plasticidade trófica associada com uma estratégia oportunista, característica de espécies carnívoras generalistas. As informações obtidas neste estudo permitiram identificar grande heterogeneidade espacial e claro gradiente longitudinal na lagoa Mangueira, tanto de fatores bióticos quanto abióticos, com reflexos na distribuição e abundância de plâncton e peixes. De posse destas informações foi possível alcançar um entedimento sobre a estrutura atual do sistema, bem como os direcionadores da sua dinâmica. A abordagem direcionada neste trabalho sobre o entendimento da estrutura atual de um lago raso subtropical possibilita futuros estudos na área da modelagem ecológica. A dinâmica das comunidades abordadas neste estudo vem subsidiar a parametrização de um modelo ecológico, com capacidade de estabelecer prognósticos, tendo como contorno, estressores naturais e antrópicos. / Biological communities change in time and space following driving pressures from differences in habitat structure and resource availability. Understanding the ecological role and interactions within aquatic community is essential for any management action trying to improve water quality by interferences in lake food web, ecosystem dynamics and modeling. The present study was carried out in two freshwater systems in Southern Brazil: an irrigated rice field and in a large shallow system, Mangueira Lake. The goal of this study in temporary wetlands was to evaluate the plankton and fish dynamics during a productive cycle. Our results evidenced a temporal gradient by nutrients availability in the temporary wetland studied. However, the limnological variables did not display any horizontal pattern among sampling stations. Linear regression showed a positive relationship between chlorophyll a and nutrients, zooplankton biomass and copepod biomass. In contrast, fish biomass and planktivorous fish biomass were inversely related to chlorophyll a. Statistically significant relationships between DOC with nutrients, plankton and fish biomass were also identified during the rice production cycle. In Mangueira Lake, a shallow system (zmed 3m) and 90 km long, the goal was to evaluate the spatial and temporal distribution of plankton and fish biomass as a function of the presence of the emergent macrophytes Zizaniopsis bonariensis. We also analyzed the existence of longitudinal gradient in lake and the food web structure in system. The PCA and RDA analyses showed the temporal (seasonal) and spatial (North/South) gradient during the study. Analysis of similarity (ANOSIM) applied to environmental variables showed significant differences between sampling sites (North and South). Secchi transparency, DOC and chlorophyll a were significantly different in North and South sampling sites. ANOVA results showed that season effects are stronger in the Northern sampling site. Concerning the community structure in the Mangueira Lake, bacterioplankton biomass, chlorophyll a, zooplankton biomass and fish captures were different seasonally after extracting the habitat structure effect, while in the Southern sampling site only chlorophyll a presented a seasonal significant variation. Habitat structure (by Z. bonariensis stands and open water samples) induced significant differences in chlorophyll a both in North and South samples after extracting seasonal effect. Fish captures do also responded to habitat structure in the North, after extracting the season effect. Analysis of similarity (ANOSIM) applied to fish community also showed significant differences between North and South, although no significant differences between vegetated and open water zones was observed. Fish biomass, number of captures, and richness were different between sampling sites. Based on the δ13C and δ15N ratios and analysis of stomach content of fish species, we provide also a description of food web structure, trophic positions of fish species and primary producers of system. Analysis of nitrogen isotope ratios yielded two fish trophic levels in Mangueira Lake. Emergent macrophytes and periphyton were important carbon source that sustain the food web structure of the system. Cluster analysis of δ13C and δ15N values and stomach content yielded a perfect phylogenetic arrangement of species. This result reflects that major feeding niches are shared by taxonomically related species. The feeding dynamics of the dominant fish species, Oligosarcus jenynsii was analysed by using analyses of stomach contents and stable isotopes signature. Seasonal and ontogenetic change in the feeding biology of O. jenynsii was identified, showing the high feeding plasticity, in addition to an opportunistic strategy of this generalist carnivore species. This study allows identifying a large spatial heterogeneity and clear longitudinal gradient both in biotic and abiotic factors, reflecting fish and plankton distribution and abundance. The evaluated parameters are intended to feed a mathematical model for the Mangueira Lake, looking for predictable scenarios from natural and anthropogenic stressors.

Livestock grazing is the most important type of land-use in arid and semi-arid regions. In these regions, uncertain and highly variable climate conditions cause scarce and spatio-temporally variable resource availability. The major challenge to livestock grazing is the efficient utilisation of these resources without running the risk of degradation. Therefore, well adapted grazing strategies that consider both local environmental characteristics and the farmers' individual needs and perceptions are crucial for sustaining human livelihoods. Particularly, rotational grazing is presumed to render adaptation to spatio-temporal heterogeneities possible. A systematic investigation, however, that analyses the interrelations between the major components of rotational grazing systems on appropriate spatial and temporal scales was missing so far. This doctoral thesis investigates different management strategies for sustainable livestock grazing in semi-arid rangelands. Using an integrated modelling approach, it enters into the question: how to adapt grazing systems to spatio-temporal heterogeneous rangeland conditions, variable and changing climate conditions, and different individual needs and goals of livestock farmers? In order to address these issues, the taken approach tackles both methodical challenges and applied concerns. In the first part of this study, a generic modelling framework is developed that incorporates important components of grazing systems on appropriate spatial and temporal scales. To parameterise the model, a pattern-oriented approach is developed that uses qualitative patterns to derive a broad range of plausible parameter sets supporting a general model analysis. In the second part, a variety of management strategies is explored under different climatic, ecological, and economic conditions. The research focuses in particular on combined effects between and relative importance of different management components. The question how the results of different management strategies depend on the type of vegetation is investigated. Furthermore, the performance of rotational grazing strategies is analysed under different economic requirements and rainfall conditions. The study also identifies management strategies that are suitable to adapt a grazing system to spatio-temporally variable rangeland conditions. Overall, this thesis contributes to a general understanding of basic principles for adaptation to spatio-temporal heterogeneities as well as the interplay of different management components. The results allow an evaluation of management strategies for specific situations and the identification of strategies that are robust to a broad range of situations including different aspects of global change.