Faculté de l'environnement naturel, architectural et construit ENAC, Section des sciences et ingénierie de l'environnement, Institut des sciences et technologies de l'environnement ISTE (Laboratoire de gestion des écosystèmes GECOS)

Benthic macroinvertebrates and logging activities : a case study in a lowland tropical forest in East Kalimantan (Borneo, Indonesia)

Derleth, Pascale ; Schlaepfer, Rodolphe (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2003 ; no 2836.

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    Summary
    At the beginning of the 21 century, the conservation of biodiversity and the sustainable use of natural resources remains a matter of concern. Within this framework, the aim of this research was to study the effects of logging activities on ecological water quality indicators in a tropical forest. The study was undertaken at both local (species/habitat) and landscape (watershed) scales. The study took place on Borneo Island, in East Kalimantan province (Indonesia), in a state-owned timber concession, on an area of 85 km2. In order to study the impact of logging activities at landscape scale, five satellites images (1991, 1997, 1999, 2000 and 2001) were examined. The ecological water quality was evaluate by a biological and a habitat assessment, which were performed at each stream reach. The biological assessment constituted in collected benthic macroinvertebrates. This protocol was conducted at 23 sampling sites on headwater streams in order to compare the impacts of logging in logged area versus unlogged area. Logged area were grouped by the time interval after logging. We examined several groups: recently logged (during logging and until 6 months after logging), 1 to 3 years after logging and, 4 to 5 years after logging and relogged for a second time. Two field seasons occurred in June-August 2000 and April-May 2001. During this eight months time interval, most of the timber concession was relogged for a second time, as a result of the decentralisation process at government level. The research took four years and the following main results have been obtained. Logging activities at landscape scale were quantified by the total length of logging roads. This underlined the intensification of the logging activities from one satellite image to the other over the time (from 1991 to 2001). Vegetation classification and vegetation index (NDVI) could not be used to assessing the impact of logging activities on forest quality because of the homogeneous forest cover in the study site (no visible patches). Benthic macroinvertebrates and environmental variables were considered an ideal tool to assess the ecological water quality in the study site. Macroinvertebrates richness was high with 115 taxa mainly identified at family and sub-family level (genera for Ephemeroptera), but abundance was low (mean density of 770 individuals per square meter, ranging from 86 to 2130). Multivariate analysis highlighted that the size of the streams and the impact of logging activities played an important role in ordinating the samples. A co-inertia analysis demonstrated that benthic macroinvertebrates and environmental variables were found to be strongly related to each others. The main results indicated that macroinvertebrate density, richness, diversity, composition and functional feeding organisation responded to logging activities. During and six months after logging, macroinvertebrate density was higher and diversity indices were lower compared to the reference samples (unlogged situation). One to three years after logging were found to be the most disturbed situation, indicated, among other things, by an even lower diversity indices. Environmental variables responded to logging activities by: an increase in canopy opening, water temperature, amount in fine sediment and flow velocity and by a decrease in Fine Particulate Organic Matter (FPOM). The stream ecosystems seemed to recover 4 to 5 years after logging in absence of ongoing activities, density and diversity seemed similar but benthic macroinvertebrate composition is different compared to reference unlogged situation. Among the 115 taxa identified during the study, several were indicator taxa, meaning that they characterised the impact of logging activities at a given time. Indicator taxa were grouped in five categories: "open canopy" taxa (Platybaetis, Lepidoptera, Hydropsychinae); "sensitive" taxa (e.g. Caenodes, Limonidae, Potamanthus, Perlidae, Philopotamidae); "pulse" taxa (e.g. Psephenidae, Jubabaetis, Platybaetis, Megaloptera, Glossossomatidae) ; "recovery" taxa (e.g. Labiobaetis, Helicopsychidae, Platystictidae) and "adaptive" taxa (Diplectroninae, Simuliidae, Isca). A Tropical Stream Concept was proposed to take into account the paucity of shredders collected in the headwater catchment streams. The higher decomposition rate and terrestrial shredders provides the Fine Particulate Organic Matter as direct input from the washing out of the catchment during rainy events. In summary, macroinvertebrates can be considered excellent indicators, which were successfully used in this tropical environment for both objectives: they assessed biodiversity as an element of forest sustainability and they assessed disturbances due to logging activities, with the advantage to be indicative of recent and past events. Further research is proposed to test the identified indicator taxa to other regions in Borneo, to valid them and to prepare a simplified key to be used by local institutions as a tool for monitoring ecological water quality.
    Résumé
    En ce début de 21ème siècle, la conservation de la biodiversité et l'utilisation durable des ressources naturelles de notre planète reste un sujet d'actualité. Dans ce contexte, l'objectif de cette thèse a été d'étudier les effets d'une exploitation forestière sur la qualité écologique de l'eau des rivières, en milieu tropical. L'étude a été considérée à deux échelles, à celle du paysage (bassin versant) et à celle de l'habitat (rivière). Le terrain d'étude d'environ 85 km2 était situé en Indonésie, sur l'île de Bornéo dans la province de Kalimantan Est, dans le périmètre d'une exploitation forestière de coupe dite "sélective". L'étude de l'impact des exploitations forestières a été étudié à l'échelle du paysage à l'aide de 5 images satellites (1991, 1997, 1999, 2000 et 2001). La qualité écologique de l'eau des rivières a été évaluée à la fois par des relevés de l'habitat (variables environementales) et de la composition biologique (macroinvertebrés benthiques) de chaque tronçon de rivière considéré. Ces relevés ont été effectués à 23 sites d'échantillonages sur des rivières en tête de bassin. Ceci a permis de comparer des sites de références avec des sites exploités à différentes dates. Plusieurs dates sont considérées: durant l‘exploitation et les 6 mois qui suivirent, 1 à 3 ans après exploitation, 4 à 5 ans après exploitation, et après une ré-exploitation des mêmes sites. Deux campagnes d'échantillonnage ont pu être effectuées en Juin-Août 2000 et Avril-Mai 2001. Pendant ces 8 mois d'intervalle, une partie de la concession a été réexploitée suite au processus de décentralisation politique. Cette recherche, menée pendant quatre ans, a permis d'obtenir les résultats suivants. Les exploitations forestières ont été quantifiées à l'échelle du paysage par la longueur totale des routes d'exploitation. Ceci a mis en évidence l'intensification de l'exploitation au cours du temps (de 1991 à 2001). La classification de la végétation et l'indice de végétation (NDVI) n'ont pu être utilisés pour évaluer les impacts de l'exploitation forestière sur la qualité de la forêt à cause de l'homogénéité du couvert forestier. Les macroinvertébrés benthiques et les variables environnementales ont permis d'évaluer la qualité écologique de l'eau des rivières dans les sites étudiés. Avec 115 taxa identifiés au niveau de la famille et de la sous-famille (au niveau du genre pour les éphémères), la richesse est élevé, mais l'abondance est faible avec une densité moyenne de 770 individus au mètres carré (entre 86 et 2130 individus). Les analyses multivariées ont permis de mettre en évidence l'importance de la taille des rivières, mais également de distinguer les différentes dates d'exploitation. Une analyse en co-inertie montre qu'il existe une bonne corrélation entre les variables environnementales et la composition des macroinvertébrés benthiques. Les résultats confirment que la densité, les indices de diversité, la composition des macroinvertébrés et des modes d'alimentation sont modifiés après les exploitations forestières. Pendant et 6 mois après exploitation, la densité était supérieure et les indices de diversité inférieurs à ceux relevé dans les sites de référence (non exploité). La situation la plus perturbée correspond à celle relevée un à trois ans après exploitation, indiquée, entre autre par des indices de diversité encore inférieurs à la situation précédente. Les variables environnementales répondent elles aussi aux exploitations, par une augmentation de l'ouverture de la canopée, de la température de l'eau, de la quantité en sédiment fins et de la vitesse du courrant accompagnée par une diminution des matières organiques fines. L'écosystème rivière semble récupérer 4 à 5 ans après exploitation en l'absence de toute perturbation, la densité et la diversité étant similaire alors que la composition en macroinvertébrés est différente de la situation de référence (non exploitée). Parmi les 115 taxa récoltés, certains ont été identifiés comme indicateur des perturbations du milieu engendrés par l'exploitation. Ces indicateurs ont été regroupé en cinq catégories: taxa "canopée ouverte" (Platybaetis, Lepidoptera, Hydropsychinae); taxa "sensibles" (p.ex. Caenodes, Limonidae, Potamanthus, Perlidae, Philopotamidae); taxa "pulsés" (p.ex. Psephenidae, Jubabaetis, Platybaetis, Megaloptera, Glossossomatidae); taxa "récupère" (p. ex. Labiobaetis, Helicopsychidae, Platystictidae) et taxa «adaptatifs» (Diplectroninae, Simuliidae, Isca). Un concept s'appliquant aux rivières tropicales (Tropical Stream Concept) a été proposé en tenant compte de la faible abondance des broyeurs détritivores en tête de bassin. Le taux de décomposition plus élevé et la présence des broyeurs détritivores terrestres permettraient d'expliquer la présence des fines particules de matière organique dans l'eau, provenant directement du lessivage du bassin versant suite aux pluies. En résumé, les macroinvertébrés sont considérés comme de bons indicateurs de la qualité écologique en milieu tropical et remplissent les deux objectifs posés: ils permettent d'évaluer la biodiversité comme élément de gestion durable des forêts et les impacts des exploitations forestières. La prochaine étape serait de tester les taxa indicateurs dans d'autres sites à Bornéo, de les valider et de préparer une clé d'identification simplifiée à l'usage des institutions locales, comme outil de suivi à long terme de la qualité écologique de l'eau des rivières.