Research Paper

Responses of nitrogen stable isotopes in fish to phosphorus limitation in freshwater wetlands

Réponses des isotopes stables de l'azote chez les poissons à la limitation du phosphore dans les zones humides d'eau douce

¹ College of Life Sciences, Capital Normal University, Beijing, 100048, China
² Soil and Water Science Department, University of Florida, 106 Newell Hall, Gainesville, FL 32611, USA

^* Corresponding author: gubinhe@gmail.com

Received: 28 May 2020
Accepted: 30 September 2020

Abstract

Human-induced eutrophication has altered ecological processes in aquatic ecosystems. Detection of ecological changes is a prerequisite for protecting ecosystems from degradation. In this study, nitrogen stable isotopes (δ¹⁵N) in fish are evaluated as indicators of environmental changes in south Florida wetlands. Stable nitrogen isotope (δ¹⁵N) data of select fish species and water quality collected from the Florida Everglades between the 1990s and 2000s were used to assess the relationship between total phosphorus concentrations and δ¹⁵N ratios. The δ¹⁵N ratios in nine of ten select fish species increase significantly as total phosphorus concentration in the surface water increases. There were significant relationships between total nitrogen concentration in the surface water and δ¹⁵N ratios in several fish species. The pattern of changes in δ¹⁵N ratios along nutrient gradients suggests that increased eutrophication is recorded as the δ¹⁵N ratios in fish. The lack of human wastewater loading, the dominance in agricultural runoff and the high TN:TP ratio suggest that phosphorus is the limiting factor driving ecosystem productivity and the changes of δ¹⁵N ratios in fish. Results from this analysis demonstrate that δ¹⁵N ratios in fish integrate biotic responses to eutrophic process over time and could be a robust indicator for early ecological changes.

Résumé

L'eutrophisation d'origine humaine a altéré les processus écologiques des écosystèmes aquatiques. La détection des changements écologiques est une condition préalable à la protection des écosystèmes contre la dégradation. Dans cette étude, les isotopes stables de l'azote (δ¹⁵N) chez les poissons sont évalués comme indicateurs des changements environnementaux dans les zones humides du sud de la Floride. Les données sur les isotopes stables de l'azote (δ¹⁵N) de certaines espèces de poissons et sur la qualité de l'eau recueillies dans les Everglades de Floride entre les années 1990 et 2000 ont été utilisées pour évaluer la relation entre les concentrations de phosphore total et les rapports δ¹⁵N. Les rapports δ¹⁵N de neuf des dix espèces de poissons sélectionnées augmentent de manière significative lorsque la concentration de phosphore total dans les eaux de surface augmente. On a constaté des relations significatives entre la concentration d'azote total dans les eaux de surface et les rapports δ¹⁵N chez plusieurs espèces de poissons. Le schéma des changements des rapports δ¹⁵N le long des gradients de nutriments suggère qu'une eutrophisation accrue est enregistrée dans les rapports δ¹⁵N chez les poissons. L'absence de charge en eaux usées, la prédominance du ruissellement agricole et le rapport élevé TN:TP suggèrent que le phosphore est le facteur limitant qui détermine la productivité des écosystèmes et les changements des rapports δ¹⁵N chez les poissons. Les résultats de cette analyse montrent que les rapports δ¹⁵N chez les poissons intègrent les réponses biotiques au processus d'eutrophisation au fil du temps et pourraient être un indicateur robuste des premiers changements écologiques.