Please wait a minute...

Frontiers of Earth Science

Front. Earth Sci.    2017, Vol. 11 Issue (4) : 670-681     https://doi.org/10.1007/s11707-016-0609-9
RESEARCH ARTICLE |
Salinity-oriented environmental flows for keystone species in the Modaomen Estuary, China
Menglu ZHANG, Baoshan CUI(), Zhiming ZHANG, Xuelian JIANG
State Key Laboratory of Environmental Simulation and Pollution Control, School of Environment, Beijing Normal University, Beijing 100875, China
Download: PDF(1126 KB)   HTML
Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

Rapid development and urbanization in recent years have contributed to a reduction in freshwater discharge and intensified saltwater intrusion in the Pearl River Delta. This comprises a significant threat to potable water supplies and overall estuary ecosystem health. In this study, the environmental flows of the Modaomen Estuary, one of the estuaries of the Pearl River Delta in China, were determined based on the salinity demand of keystone species and the linear relationship between river discharge and estuarine salinity. The estimated minimum and optimal annual environmental flows in the Modaomen Estuary were 116.8 × 109 m3 and 273.8 × 109 m3, respectively, representing 59.3% and 139.0% of the natural runoff. Water quality assessments in recent years indicate that the environmental flows have not been satisfied most of the time, particularly the optimal environmental flow, despite implement ation of various water regulations since 2005. Therefore, water regulations and wetland network recoveries based on rational environmental flows should be implemented to alleviate saltwater intrusion and for the creation of an ideal estuarine habitat.

Keywords environmental flows      keystone species      Modaomen Estuary      river discharge      salinity     
Corresponding Authors: Baoshan CUI   
Just Accepted Date: 19 October 2016   Online First Date: 18 November 2016    Issue Date: 10 November 2017
 Cite this article:   
Menglu ZHANG,Baoshan CUI,Zhiming ZHANG, et al. Salinity-oriented environmental flows for keystone species in the Modaomen Estuary, China[J]. Front. Earth Sci., 2017, 11(4): 670-681.
 URL:  
http://journal.hep.com.cn/fesci/EN/10.1007/s11707-016-0609-9
http://journal.hep.com.cn/fesci/EN/Y2017/V11/I4/670
Service
E-mail this article
E-mail Alert
RSS
Articles by authors
Menglu ZHANG
Baoshan CUI
Zhiming ZHANG
Xuelian JIANG
Fig.1  Geographical location of the study area.
Fig.2  Food web structure of the Pearl River Estuary. Source: the pictures of fish species were obtained from Altas of the China Sea Fishes in Live Color (http://hyg.ycit.cn/fishbook/pic.asp).
Species/functional groups Kb Kt K Rank
Phytoplankton 8.22 0 8.22 1
Detritus 6.73 0 6.73 2
Sharks 0 4.90 4.90 3
Trichiurus haumela 0 3.40 3.40 4
Zoobenthos 2.65 0.20 2.85 5
Other demersals 2 0.40 2.40 6
Sousa chinensis 0 2.24 2.24 7
Shrimps 1.78 0.40 2.18 8
Priacanthus tayenus 0.83 1.27 2.10 9
Upeneus bensasi 0 2.10 2.10 9
Nemipterus virgatus 0.83 1.20 2.03 11
Benthic crustaceans 1.25 0.60 1.85 12
Other pelagics 1.61 0.20 1.81 13
Zooplankton 1.44 0.20 1.64 14
Jellyfish 0.83 0.80 1.63 15
Trachurus japonicus 0.33 1.10 1.43 16
Decapterus maruadsi 0 1.37 1.37 17
Psenopsis anomala 0.33 0.87 1.20 18
Saurida 0.33 0.70 1.03 19
Tab.1  Bidirectional keystone indices of the food web in the Pearl River Estuary
Species/functional groups Salinity/‰ a) Season/life stage Reference
Phytoplanktonb)
Skeletonema costatum 16.1 Wet & dry season Rijstenbil et al. (1989)
Nitzschia pungens 15?30 Wet season Jackson et al. (1992)
Nitzschia delicatissima 15?30 Wet season Thessen et al. (2005)
Eucampia zoodiacus 33.5?35.3 Dry season Trigueros and Orive (2001)
Lauderia annulata 24.3?35.3 Dry season Trigueros and Orive (2001)
Sharksb)
Chiloscyllium plagiosum 20?35 Survival Huang et al. (2005)
Carcharhinus limbatus 20?35 Distribution Froeschke et al. (2010)
Carcharhinus leucas 5?20 Immature stage Simpfendorfer et al. (2005)
7?17.5 <1 year old Simpfendorfer et al. (2005)
Trichiurus haumela 30.2?34.5 Distribution Lin (1981)
29?34 Adult stage Wu (1984)
33?34 Spawning stage Wu (1984)
Zoobenthosb)
Heteromastus filiformis 16?24 Distribution Ysebaert et al. (2002)
Capitella capitata 20?33 Adult stage Warren (1977)
Potamocorbula sp. 5?25 Spawning stage Nicolini and Penry (2000)
10?30 Embryos Nicolini and Penry (2000)
Tab.2  Suitable salinity range for keystone species
Fig.3  Salinity objectives for dry and wet season in the Pearl River Estuary.
Fig.4  Comparison of monthly average river discharge and salinity in Modaomen Estuary (1976?1988).
Fig.5  Quantitative relationship between river discharge and salinity in Modaomen Estuary.
Item Jan. Feb. Mar. Apr. May Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec. Total Ratio/%
Temporal variation/% a) 3.43 3.33 4.04 5.68 11.53 20.38 17.15 12.40 8.56 5.24 4.82 3.44 100
Environmental flow/(m 3·s?1) Min. 1547 1500 1822 2559 5198 9183 7728 5590 3857 2362 2172 1551
Opt. 3623 3518 4268 6000 12180 21528 18116 13099 9042 5535 5092 3634
Runoff
/(?109m3)
Min 4.01 3.89 4.72 6.63 13.47 23.80 20.03 14.49 10.00 6.12 5.63 4.02 116.8 59.3
Opt 9.39 9.12 11.06 15.55 31.57 55.80 46.96 33.95 23.44 14.35 13.20 9.42 273.8 139.0
Tab.3  Annual environmental flows of the Modaomen Estuary
Fig.6  Comparison of environmental flows and annual runoffs of 1970–1988 and 2001–2011.
Fig.7  Comparison of environmental flows and monthly river discharge of 2007–2011.
1 Adams J B, Knoop  W T, Bate  G C (1992). The distribution of estuarine macrophytes in relation to freshwater. Bot Mar, 35(3): 215–226
2 Ahel M, Barlow  R G, Mantoura  R F C (1996). Effect of salinity gradients on the distribution of phytoplankton pigments in a stratified estuary. Mar Ecol Prog Ser, 143(1): 289–295
3 Arthington A H ,  Bunn S E ,  Poff N L R ,  Naiman R J  (2006). The challenge of providing environmental flow rules to sustain river ecosystems. Ecol Appl, 16(4): 1311–1318
4 Bagajewicz M J ,  Savelski M J  (2001). On the use of linear models for the design of water utilization systems in process plants with a single contaminant. Chem Eng Res Des, 79: 600–610
5 Becker M L, Luettich  R A, Mallin  M A (2010). Hydrodynamic behavior of the Cape Fear River and estuarine system: a synthesis and observational investigation of discharge–salinity intrusion relationships. Estuar Coast Shelf Sci, 88(3): 407–418
6 Bruce A, Alison  C, Tess L  (2013). Keystone species. In: Simon A L, ed. Encyclopedia of Biodiversity (2nd Edition). Waltham: Academic Press, 442–457
7 Cui B, Tang  N, Zhao X ,  Bai J (2009). A management-oriented valuation method to determine ecological water requirement for wetlands in the Yellow River Delta of China. J Nat Conserv, 17: 129–141
8 Cui  B, Zhang   Z, Lei  X  (2012). Implementation of diversified ecological networks to strengthen wetland conservation. CLEAN–Soil, Air, Water, 40(10):1015–1026
9 Doering P H, Chamberlain  R H, Haunert  D E (2002). Using submerged aquatic vegetation to establish minimum and maximum freshwater inflows to the Caloosahatchee Estuary, Florida. Estuaries, 25(6): 1343–1354
10 Duan L J, Li  S Y, Liu  Y, Jiang T ,  Failler P  (2009b). A trophic model of the Pearl River Delta coastal ecosystem. Ocean Coast Manage, 52(7): 359–367
11 Duan L J, Li  S Y, Liu  Y, Moreau J ,  Christensen V  (2009a). Modeling changes in the coastal ecosystem of the Pearl River Estuary from 1981 to 1998. Ecol Modell, 220(20): 2802–2818
12 Feng X, Li  Y, Shen R  (2009). A new approach to design energy efficient water allocation networks. Appl Therm Eng, 29: 2302–2307
13 Froeschke J, Stunz  G W, Wildhaber  M L (2010). Environmental influences on the occurrence of coastal sharks in estuarine waters. Mar Ecol Prog Ser, 407: 279–292
14 Geyer W R (2010). Estuarine salinity structure and circulation. Contemporary issues in estuarine physics, transport and water quality. New York: Cambridge University Press, 12–26
15 Gong W, Shen  J (2011). The response of salt intrusion to changes in river discharge and tidal mixing during the dry season in the Modaomen Estuary, China. Cont Shelf Res, 31(7): 769–788
16 Gong W, Shen  J, Jia L  (2013). Salt intrusion during the dry season in the Huangmaohai Estuary, Pearl River Delta, China. J Mar Syst, 111: 235–252
17 Huang H, Lin  Y, Li C ,  Lin Q, Cai  W, Gao D ,  Jia X (2001). Ecology study on the benthic animals of Pearl River Estuary. Acta Ecol Sin, 22(4): 603–607
18 Huang L M, Xie  Y J, Wu  Z D, Weng  C H (2005). Survival experiment of Chilosoyllium plagiosum to temperature and salinity. Journal of Jimei University Natural Science, 10(1): 12–17 (in Chinese)
19 Huang L, Jian  W, Song X ,  Huang X ,  Liu S, Qian  P, Wu M  (2004). Species diversity and distribution for phytoplankton of the Pearl River Estuary during rainy and dry seasons. Mar Pollut Bull, 49(7): 588–596
20 Jackson A E, Ayer  S W, Laycock  M V (1992). The effect of salinity on growth and amino acid composition in the marine diatom Nitzschia pungens. Can J Bot, 70(11): 2198–2201
21 Jackson J B, Kirby  M X, Berger  W H, Bjorndal  K A, Botsford  L W, Bourque  B J, Warner  R R (2001). Historical overfishing and the recent collapse of coastal ecosystems. Science, 293(5530): 629–637
22 Jordán F (2001). Trophic fields. Community Ecol, 2(2): 181–185
23 Jordán F, Takács–Sánta  A, Molnár I  (1999). A reliability theoretical quest for keystones. Oikos, 86: 453–462
24 Kantoussan J, Ecoutin  J M, Simier  M, de Morais L T ,  Laë R  (2012). Effects of salinity on fish assemblage structure: an evaluation based on taxonomic and functional approaches in the Casamance estuary (Senegal. West Africa). Estuar Coast Shelf Sci, 113: 152–162
25 Kimmerer W J (2002). Physical, biological, and management responses to variable freshwater inflow into the San Francisco Estuary. Estuaries, 25: 1275–1290
26 Lance J (1963). The salinity tolerance of some estuarine planktonic copepods. Limnol Oceanogr, 8(4): 440–449
27 Li C (2004). The Process and Evolution in the South China Estuaries. Beijing: Science Press, 20–49 (in Chinese)
28 Libralato S, Christensen  V, Pauly D  (2006). A method for identifying keystone species in food web models. Ecol Modell, 195(3): 153–171
29 Lin J (1981). Studies on the natural regulative adaptability of the Hairtail (Trichiurus haumela) in the oceanic environment. Transactions of Oceanology and Limnology, 1: 58–63 (in Chinese)
30 Lin J (1991). Marine fishery resources of China. Mark Sci, 2: 22–27 (in Chinese)
31 Mai B X, Fu  J M, Sheng  G Y, Kang  Y H, Lin  Z, Zhang G ,  Zeng E Y  (2002). Chlorinated and polycyclic aromatic hydrocarbons in riverine and estuarine sediments from Pearl River Delta, China. Environ Pollut, 117(3): 457–474
32 Marshall S, Elliott  M (1998). Environmental influences on the fish assemblage of the Humber Estuary, UK. Estuar Coast Shelf Sci, 46(2): 175–184
33 Millero F J (2010). History of the equation of state of seawater. Oceanography (Wash DC), 23: 18–33
34 Monismith S G ,  Kimmerer W ,  Burau J R ,  Stacey M T  (2002). Structure and flow-induced variability of the subtidal salinity field in northern San Francisco Bay. J Phys Oceanogr, 32(11): 3003–3019
35 Nicolini M H, Penry  D L (2000). Spawning, fertilization, and larval development of Potamocorbula amurensis (Mollusca: Bivalvia) from San Francisco Bay, California. Pac Sci, 54(4): 377–388
36 Ortiz M, Avendaño  M, Cantillañez M, Berrios F ,  Campos L  (2010). Trophic mass balanced models and dynamic simulations of benthic communities from La Rinconada Marine Reserve off northern Chile: network properties and multispecies harvest scenario assessments. Aquatic Conservation Marine and Freshwater Ecosystems, 20(1): 58–73
37 Paine R T (1966). Food web complexity and species diversity. Am Nat, 100: 65–75
38 Paine R T (1995). A conversation on refining the concept of keystone species. Conserv Biol, 9: 962–964
39 Pauly D, Christensen  V, Dalsgaard J ,  Froese R ,  Torres F  (1998). Fishing down marine food webs. Science, 279(5352): 860–863
40 Pearl River Water Resources Commission (2005). Material achievements of synchronous hydrological and water quality monitor of west and east river delta during the 2005 dry season. Guangzhou: Pearl River Water Resources Commission (in Chinese)
41 Peirson W L, Bishop  K, Van Senden D ,  Horton P R ,  Adamantidis C A  (2002). Environmental water requirements to maintain estuarine processes. WRL technical report number 3, School of Civil and Environmental Engineering, University of New South Wales
42 Poff N L, Richter  B D, Arthington  A H, Bunn  S E, Naiman  R J, Kendy  E, Acreman M ,  Apse C, Bledsoe  B P, Freeman  M C, Henriksen  J, Jacobson R B ,  Kennen J G ,  Merritt D M ,  O’Keeffe J H ,  Olden J D ,  Rogers K ,  Tharme R E ,  Warner A  (2010). The ecological limits of hydrologic alteration (ELOHA): a new framework for developing regional environmental flow standards. Freshw Biol, 55(1): 147–170
43 Power M E, Tilman  D, Estes J A ,  Menge B A ,  Bond W J ,  Mills L S  (1996). Challenges in the quest for keystones. Bioscience, 46: 609–620
44 Pritchard D W  (1967). What is an estuary: physical viewpoint. Estuaries, 83: 3–5
45 Rijstenbil J W ,  Mur L R ,  Wijnholds J J ,  Sinke J J  (1989). Impact of a temporal salinity decrease on growth and nitrogen metabolism of the marine diatom Skeletonema costatum in continuous cultures. Mar Biol, 101(1): 121–129
46 Savenije H H (2005). Salinity and Tides in Alluvial Estuaries. Amsterdam: Elsevier
47 Shao K T (2013). Taiwan Fish Database. World Wide Web Electronic Publication. Available from ,  Accessed Dec, 2013
48 Simpfendorfer C A ,  Freitas G G ,  Wiley T R ,  Heupel M R  (2005). Distribution and habitat partitioning of immature bull sharks (Carcharhinus leucas) in a southwest Florida estuary. Estuaries, 28(1): 78–85
49 Sklar F H, Browder  J A (1998). Coastal environmental impacts brought about by alterations to freshwater flow in the Gulf of Mexico. Environ Manage, 22(4): 547–562
50 Smith R (1980). Buoyancy effects upon longitudinal dispersion in wide well-mixed estuaries. Philos Trans R Soc Lond A, 296(1421): 467–496
51 Sun T, Xu  J, Yang Z F  (2012). Objective–based method for environmental flow assessment in estuaries and its application to the Yellow River Estuary, China. Estuaries Coasts, 35(3): 892–903
52 Sun T, Yang  Z F, Shen  Z Y, Zhao  R (2009). Environmental flows for the Yangtze Estuary based on salinity objectives. Commun Nonlinear Sci Numer Simul, 14(3): 959–971
53 Takama N, Kuriyama  T, Shiroko K ,  Umeda T  (1980). Optimal water allocation in a petroleum refinery. Comput Chem Eng, 4: 251–258
54 Tharme R E (2003). A global perspective on environmental flow assessment: emerging trends in the development and application of environmental flow methodologies for rivers. River Res Appl, 19(5–6): 397–441
55 Thessen A E, Dortch  Q, Parsons M L ,  Morrison W  (2005). Effect of salinity on pseudo nitzschia species (bacillariophyceae) growth and distribution. J Phycol, 41(1): 21–29
56 Thieltges D W ,  Dolch T ,  Krakau M ,  Poulin R  (2010). Salinity gradient shapes distance decay of similarity among parasite communities in three marine fishes. J Fish Biol, 76(7): 1806–1814
57 Trigueros J M ,  Orive E  (2001). Seasonal variations of diatoms and dinoflagellates in a shallow, temperate estuary, with emphasis on neritic assemblages. Hydrobiologia, 444(1–3): 119–133
58 Tsoi K H, Chiu  K M, Chu  K H (2005). Effects of temperature and salinity on survival and growth of the amphipod Hyale crassicornis (Gammaridea. Hyalidae). J Nat Hist, 39(4): 325–336
59 Vasas V, Lancelot  C, Rousseau V ,  Jordán F  (2007). Eutrophication and overfishing in temperate nearshore pelagic food webs: a network perspective. Mar Ecol Prog Ser, 336(10): 1–14
60 Warren L M (1977). The ecology of Capitella capitata in British waters. J Mar Biol Assoc U K, 57(1): 151–159
61 Wen P, Chen  X H, Liu  B, Yang X L  (2007). Analysis of tidal saltwater intrusion and its variation in Modaomen channel. Journal of China Hydrology, 27: 65–67 (in Chinese)
62 Whitney M M (2010). A study on river discharge and salinity variability in the Middle Atlantic Bight and Long Island Sound. Cont Shelf Res, 30(3): 305–318
63 Wong K C (1995). On the relationship between long-term salinity variations and river discharge in the middle reach of the Delaware estuary. Journal of Geophysical Research: Oceans (1978–2012), 100(C10): 20705–20713
64 Wortmann J, Hearne  J W, Adams  J B (1998). Evaluating the effects of freshwater inflow on the distribution of estuarine macrophytes. Ecol Modell, 106(2): 213–232
65 Wu J (1984). Spawning characters of Trichiurus haumela (Forskal) in off-shore waters of Zhejiang Province. J Zhejiang Coll Fish, 3: 109–120 (in Chinese)
66 Wu Z, Chen  G Q (2014). Analytical solution for scalar transport in open channel flow: slow-decaying transient effect. J Hydrol (Amst), 519: 1974–1984
67 Wu Z, Zeng  L, Chen G Q ,  Li Z, Shao  L, Wang P ,  Jiang Z  (2012). Environmental dispersion in a tidal flow through a depth-dominated wetland. Commun Nonlinear Sci Numer Simul, 17(12): 5007–5025
68 Xing Y, Ai  C, Jin S  (2013). A three–dimensional hydrodynamic and salinity transport model of estuarine circulation with an application to a macrotidal estuary. Appl Ocean Res, 39: 53–71
69 Xu J S, Luo  C P (2005). Characteristics of saline water activities in the Pearl River Delta in recent years and major studied basin. Pearl River, 2: 21–23 (in Chinese)
70 Ysebaert T, Meire  P, Herman P M ,  Verbeek H  (2002). Macrobenthic species response surfaces along estuarine gradients: prediction by logistic regression. Mar Ecol Prog Ser, 225: 79–95
71 Zhang Z, Cui  B, Fan X ,  Zhang K ,  Zhao H, Zhang  H (2012a). Wetland network design for mitigation of saltwater intrusion by replenishing freshwater in an estuary. CLEAN–Soil, Air, Water, 40(10): 1036–1046
72 Zhang Z, Cui  B, Ou B ,  Fan X (2012b). Wetland network designed for mitigation of saltwater intrusion by transferring tidal discharge. CLEAN–Soil, Air, Water, 40(10): 1057–1063
73 Zhang Z, Cui  B, Zhao H ,  Fan X, Zhang  H (2010). Discharge-salinity relationships in Modaomen waterway, Pearl River estuary. Procedia Environ Sci, 2: 1235–1245
Related articles from Frontiers Journals
[1] T. STOICHEV, J. ESPINHA MARQUES, C.M. ALMEIDA, A. DE DIEGO, M.C.P. BASTO, R. MOURA, V.M. VASCONCELOS. Simple statistical models for relating river discharge with precipitation and air temperature—Case study of River Vouga (Portugal)[J]. Front. Earth Sci., 2017, 11(2): 203-213.
[2] Xuefei MEI, P.H.A.J.M. VAN GELDER, Zhijun DAI, Zhenghong TANG. Impact of dams on flood occurrence of selected rivers in the United States[J]. Front. Earth Sci., 2017, 11(2): 268-282.
[3] Yucen LU, Yongming SHEN. Influence of bathymetry evolution on position of tidal shear front and hydrodynamic characteristics around the Yellow River estuary[J]. Front Earth Sci, 2012, 6(4): 405-419.
[4] Qi FENG, Haiyang XI, Wei LIU, . Relationship between soil physiochemistry and land degradation in the lower Heihe River basin of northwestern China[J]. Front. Earth Sci., 2009, 3(4): 490-499.
[5] ISLAM Shafi Noor, GNAUCK Albrecht. Mangrove wetland ecosystems in Ganges-Brahmaputra delta in Bangladesh[J]. Front. Earth Sci., 2008, 2(4): 439-448.
[6] ISLAM Shafi Noor, GNAUCK Albrecht. Mangrove wetland ecosystems in Ganges-Brahmaputra delta in Bangladesh[J]. Front. Earth Sci., 2008, 2(4): 443-452.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed