Untangling the complex food webs of tropical rainforest streams.

ABSTRACT

Food webs depict the tangled web of trophic interactions associated with the functioning of an ecosystem. Understanding the mechanisms providing stability to these food webs is therefore vital for conservation efforts and the management of natural systems. Here, we first characterised a tropical stream meta-food web and five individual food webs using a Bayesian Hierarchical approach unifying three sources of information (gut content analysis, literature compilation and stable isotope data). With data on population-level biomass and individually measured body mass, we applied a bioenergetic model and assessed food web stability using a Lotka-Volterra system of equations. We then assessed the resilience of the system to individual species extinctions using simulations and investigated the network patterns associated with systems with higher stability. The model resulted in a stable meta-food web with 307 links among the 61 components. At the regional scale, 70% of the total energy flow occurred through a set of 10 taxa with large variation in body masses. The remaining 30% of total energy flow relied on 48 different taxa, supporting a significant dependency on a diverse community. The meta-food web was stable against individual species extinctions, with a higher resilience in food webs harbouring omnivorous fish species able to connect multiple food web compartments via weak, non-specialised interactions. Moreover, these fish species contributed largely to the spatial variation among individual food webs, suggesting that these species could operate as mobile predators connecting different streams and stabilising variability at the regional scale. Our results outline two key mechanisms of food web stability operating in tropical streams (i) the diversity of species and body masses buffering against random and size-dependent disturbances and (ii) high regional diversity and weak omnivorous interactions of predators buffering against local stochastic variation in species composition. These mechanisms rely on high local and regional biodiversity in tropical streams, which is known to be strongly affected by human impacts. Therefore, an urgent challenge is to understand how the ongoing systematic loss of diversity jeopardises the stability of stream food webs in human-impacted landscapes.

RESUMO

As teias alimentares representam um emaranhado de interações tróficas associadas ao funcionamento de um ecossistema. Compreender os mecanismos que proporcionam estabilidade a estas teias alimentares é, portanto, vital para os esforços de conservação e gestão dos sistemas naturais. Aqui, primeiro caracterizamos uma meta teia alimentar de riachos tropicais e cinco teias alimentares individuais usando uma abordagem hierárquica Bayesiana unificando três fontes de informação (análise de conteúdo estomacal, compilação de literatura, dados de isótopos estáveis). Com dados sobre biomassa em nível populacional e massa corporal medida individualmente, aplicamos um modelo bioenergético e avaliamos a estabilidade da cadeia alimentar usando um sistema de equações Lotka­Volterra. Em seguida, avaliamos a resiliência do sistema às extinções de espécies individuais usando simulações e investigamos os padrões de rede associados a sistemas com maior estabilidade. O modelo resultou em uma meta teia alimentar estável com 307 ligações entre os 61 componentes. Na escala regional, 70% do fluxo total de energia ocorreu através de um conjunto de dez taxa com grande variação nas massas corporais. Os restantes 30% do fluxo total de energia dependiam de 47 taxa diferentes, apoiando uma dependência significativa de uma comunidade diversificada. A meta teia alimentar foi estável contra extinções de espécies individuais, com uma maior resiliência em teias alimentares que abrigam espécies de peixes onívoros capazes de conectar múltiplos compartimentos da teia alimentar através de interações fracas e não especializadas. Além disso, estas espécies de peixes contribuíram amplamente para a variação espacial entre as cadeias alimentares individuais, sugerindo que estas espécies poderiam operar como predadores móveis conectando diferentes riachos e estabilizando a variabilidade à escala regional. Nossos resultados descrevem dois mecanismos principais de estabilidade da cadeia alimentar operando em riachos tropicais (i) a diversidade de espécies e massas corporais que protegem contra distúrbios aleatórios e dependentes do tamanho (ii) alta diversidade regional e fracas interações onívoras de predadores que protegem contra a variação estocástica local na composição de espécies. Estes mecanismos dependem de uma elevada biodiversidade local e regional em riachos tropicais, que são conhecidos por serem fortemente afetados pelos impactos humanos. Portanto, um desafio urgente é compreender como a contínua perda sistemática de diversidade põe em risco a estabilidade das teias alimentares em paisagens impactadas pelo homem.