Seasonal and scale-dependent variability in nutrient- and allelopathy-mediated macrophyte–phytoplankton interactions

Variabilité saisonnière et dépendante de l’échelle dans les interactions macrophyte-phytoplancton liées aux nutriments et à des relations d’allélopathie

⁽¹⁾ Norwegian Institute for Water Research (NIVA), Freshwater Department, Gaustadalléen 21, 0349 Oslo, Norway
⁽²⁾ Limno Consulting, via Bedollo 303, 00124 Rome, Italy
⁽³⁾ Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering (DICEAA) – M. Giustini Ecology Lab, Coppito Science Center – University of L’Aquila, 67100 L’Aquila, Italy

^⋆ Corresponding author: p.lombardo@limnoconsulting.com, physa@tiscali.it

Received: 13 November 2012
Revised: 7 April 2013
Accepted: 15 May 2013

Abstract

macrophyte–phytoplankton interactions were investigated using a dual laboratory and field approach during a growing season, with responses quantified as changes in biomass. Short-term, close-range interactions in laboratory microcosms always led to mutual exclusion of macrophytes (Elodea canadensis or Ceratophyllum demersum) and algae (Raphidocelis subcapitata, Fistulifera pelliculosa) or cyanobacteria (Synechococcus leopoliensis), suggesting regulation by positive feedback mechanisms, progressively establishing and reinforcing a “stable state”. Laboratory results suggest that close-range regulation of R. subcapitata and F. pelliculosa by macrophytes was primarily via nutrient (N, P) mediation. Sprig-produced allelochemicals may have contributed to inhibition of S. leopoliensis in C. demersum presence, while S. leopoliensis was apparently enhanced by nutrients leaked by subhealthy (discolored leaves; biomass loss) E. canadensis. Seasonal changes in algal growth suppression were correlated with sprig growth. Marginal differences in in situ phytoplankton patterns inside and outside monospecific macrophyte stands suggest that the nutrient- and/or allelopathy-mediated close-range mechanisms observed in the laboratory did not propagate at the macrophyte-stand scale. Factors operating at a larger scale (e.g., lake trophic state, extent of submerged vegetation coverage) appear to override in situ macrophyte–phytoplankton close-range interactions.

Résumé

Les interactions macrophytes-phytoplancton ont été étudiées à l’aide d’une approche double de laboratoire et de terrain au cours d’une saison de croissance, avec des réponses quantifiées comme les changements dans la biomasse. Les interactions à court terme et à courte portée dans des microcosmes de laboratoire ont toujours conduit à l’exclusion mutuelle entre des macrophytes (Elodea canadensis ou Ceratophyllum demersum) et des algues (Raphidocelis subcapitata, Fistulifera pelliculosa) ou cyanobactéries (Synechococcus leopoliensis), suggérant une régulation par des mécanismes de rétroaction positive, s’établissant progressivement et renforçant un «état stable». Les résultats de laboratoire suggèrent que la régulation à courte portée de R. subcapitata et F. pelliculosa par les macrophytes était principalement due aux éléments nutritifs (N, P). Les composés allélochimiques produits par les brins de macrophyte peuvent avoir contribué à l’inhibition de S. leopoliensis en présence de C. demersum, tandis que S. leopoliensis a apparemment été renforcée par les éléments nutritifs produits par E. canadensis en mauvais état (feuilles décolorées, perte de la biomasse). Les changements saisonniers comme la suppression de la croissance des algues ont été corrélés avec la croissance du brin. Des différences marginales in situ dans les dynamiques du phytoplancton à l’intérieur et à l’extérieur des peuplements monospécifiques de macrophytes suggèrent que les mécanismes rapprochés liés aux nutriments et/ou à l’allélopathie observés en laboratoire ne se développent pas à l’échelle des formations de macrophytes. Les facteurs intervenant à plus grande échelle (par exemple, l’état trophique du lac, l’étendue de la couverture de végétation submergée) semblent l’emporter sur les interactions à courte portée macrophytes- phytoplancton in situ.