RESTORING THE ECOLOGICAL QUALITY OF RIPARIAN ECOSYSTEMS – A MULTI-LEVEL APPROACH ANDRÉ DE MORAES DOROTÊA FABIÃO SCIENTIFIC ADVISORS: Ph.D. Maria Teresa Marques Ferreira Ph.D. Helena Margarida Nunes Pereira Ph.D. Manuel Armando Valeriano Madeira THESIS PRESENTED TO OBTAIN THE DOCTOR DEGREE IN FORESTRY ENGINEERING AND NATURAL RESOURCES 2019 RESTORING THE ECOLOGICAL QUALITY OF RIPARIAN ECOSYSTEMS – A MULTI-LEVEL APPROACH ANDRÉ DE MORAES DOROTÊA FABIÃO SCIENTIFIC ADVISORS: Ph.D. Maria Teresa Marques Ferreira Ph.D. Helena Margarida Nunes Pereira Ph.D. Manuel Armando Valeriano Madeira THESIS PRESENTED TO OBTAIN THE DOCTOR DEGREE IN FORESTRY ENGINEERING AND NATURAL RESOURCES Jury: President: Doutora Maria Margarida Branco de Brito Tavares Tomé Professora Catedrática Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa. Members: Doutora Maria Teresa Marques Ferreira Professora Catedrática Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa; Doutora Maria Teresa Calvão Rodrigues Professora Auxiliar Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa; Doutora Maria Manuela Queiroz Martins Mantero Morais Professora Auxiliar Escola de Ciências e Tecnologia, Universidade de Évora; Doutora Cláudia Saramago de Carvalho Marques dos Santos Cordovil Professora Auxiliar Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa. Programa de doutoramento FCT (Sustainable Forests and Products, SUSFOR) PD/BD/52406/2013 2019 This Thesis should be cited as: Fabião, A.M. 2019. Restoring the ecological quality of riparian ecosystems – a multi- level approach. PhD Thesis, Instituto Superior de Agronomia, Universidade de Lisboa, Portugal. Contemporary Attica may accurately be described as a mere relic of the original country. There has been a constant movement of soil away from the high ground and what remains is like the skeleton of a body emaciated by disease. All the rich soil has melted away, leaving a country of skin and bone. Originally the mountains of Attica were heavily forested. Fine trees produced timber suitable for roofing the largest buildings; the roofs hewn from this timber are still in existence. The country produced boundless feed for cattle, there are some mountains which had trees not so very long ago, that now have nothing but bee pastures. The annual rainfall was not lost as it is now through being allowed to run over the denuded surface to the sea, it was absorbed by the ground and stored... the drainage from the high ground was collected in this way and discharged into the hollows as springs and rivers with abundant flow and a wide territorial distribution. Shrines remain at the sources of dried up water sources as witness to this. The Dialogues of Plato, Critias III (Thirgood, 1981) [Thirgood, J.V. 1981. Man and the Mediterranean Forest: A History of Resource Depletion. Academic Press. London.] ABSTRACT Many European rivers and floodplains have been subjected to long periods of anthropogenic degradation. Activities like land drainage, construction of dams and weirs, channelization, water abstraction and pollution, resulted, among others, in the loss of floodplains and wetlands, high sediment runoff, biodiversity losses, lowering of the river and water table levels and increase in peak flows. Thus, this thesis focuses on a multi-level top to bottom approach to freshwater ecosystem restoration, addressing the legislation restoration drivers, as well as the restoration at the basin and river section levels. The main conclusions are: a) to improve freshwater restoration success in Europe it is highly recommended to create more ecosystem restoration soft law and reinforcement mechanisms related with governance, quality, stakeholders, publicity and research; b) there is a joint effect of climate change and land use on river water quality, meaning that proposed environmental conservation measures may be too conservative to have a significant effect in river nitrogen concentration, particularly in a climate change context; c) local population awareness and participation are as essential for habitat restoration success as grazing herbivores exclusion, river pollutant load, water table levels and tree installation techniques; d) the sampling of a river section to assess the influence of the liquid effluent from an acid bisulfite pulp mill on river water quality did not reveal particularly high levels of pollution directly related to the mill, in spite of relevant levels of total phosphorous and dissolved lignin; and e) cork and Tasmanian blue gum bark are capable of enhancing biological denitrification in laboratory batch tests. The implementation of ecologically effective restoration should be flexible to adjust to changing climate and societal priorities, retaining simultaneously the capacity to integrate information from new technologies into site assessment and restoration planning. Keywords Freshwater restoration; riparian ecosystems; Mediterranean; nitrates; denitrification. i RESUMO Muitos rios e zonas aluviais da Europa têm sido historicamente sujeitos a degradação de origem humana. A drenagem de zonas húmidas, construção de barragens e diques, canalização, rega e poluição, entre outras, resultaram na destruição daquelas zonas húmidas, acréscimo da sedimentação, redução da biodiversidade e do nível do lençol freático, e aumento dos caudais de ponta de cheia. Assim, esta tese aborda o restauro dos ecossistemas fluviais numa perspetiva multi-escala: a legislação que fomenta o restauro, e o restauro ao nível da bacia e do troço fluvial. As principais conclusões foram: a) para melhorar o sucesso do restauro fluvial na Europa recomenda-se a criação de legislação adicional dirigida à governança, qualidade, stakeholders, publicidade e investigação; b) as alterações climáticas e do uso do solo têm efeitos conjuntos na qualidade da água fluvial, pelo que algumas medidas de conservação ambiental podem ser demasiado conservadoras para terem efeitos relevantes na dinâmica fluvial do azoto; c) a consciencialização e participação da população local no restauro fluvial é tão importante para o sucesso das intervenções como a exclusão do pastoreio e a carga de nutrientes do rio, o nível da toalha freática ou as técnicas de plantação; d) a avaliação da influência na qualidade da água fluvial do efluente líquido duma fábrica de pasta de papel (processo bissulfito ácido) não revelou níveis particularmente elevados de poluição diretamente imputáveis à fábrica, apesar dos valores relevantes de fósforo total e de lenhina dissolvida; e) a cortiça e a casca de eucalipto potenciaram a desnitrificação biológica em testes batch de laboratório. A implementação de ações de restauro ecologicamente eficazes deve possuir flexibilidade suficiente para se ajustar às alterações climáticas e das prioridades da sociedade, mantendo a capacidade de integrar no planeamento e avaliação do restauro a informação proveniente de novas tecnologias. PALAVRAS-CHAVE Restauro fluvial; ecossistemas ripícolas; Mediterrâneo; nitratos; desnitrificação. ii RESUMO ALARGADO A vegetação envolvente dos rios forma galerias ribeirinhas que funcionam como área de transição entre os sistemas terreste e aquático. Normalmente possui uma riqueza de espécies, complexidade estrutural e produtividade de biomassa superiores às áreas envolventes, tendo um papel relevante na regularização e valorização do habitat aquático. O reconhecimento da influência dos processos que ocorrem nestas zonas na mitigação dos efeitos da poluição difusa originou um interesse crescente na utilização de zonas ripícolas tampão ao longo dos corredores fluviais. Porém, muitos rios e zonas aluviais da Europa têm sido historicamente sujeitos a degradação de origem humana. Devido ao seu carácter dinâmico as zonas ripícolas são especialmente vulneráveis a estes impactos. A drenagem de zonas húmidas, construção de barragens e diques, canalização, rega e poluição, entre outras ações antrópicas, resultaram na destruição daquelas zonas húmidas, com acréscimo da sedimentação, redução da biodiversidade e do nível do lençol freático, e aumento dos caudais de ponta de cheia. Esta situação deu origem a uma sensibilidade crescente para a necessidade de termos sistemas fluviais mais saudáveis, capazes de disponibilizar serviços de ecossistema e de sustentar níveis razoáveis de diversidade biológica à escala da paisagem. Deste modo, o restauro fluvial surgiu como uma ferramenta poderosa para deter e reverter a degradação dos sistemas fluviais. O restauro fluvial possui um âmbito ecológico claro, estando os seus objetivos frequentemente relacionados com o restauro de habitats e/ou da ictiofauna, ou com a recuperação ecológica e do ecossistema. Neste contexto, o restauro das comunidades ripícolas é fundamental para uma recuperação bem- sucedida dos processos fluviais naturais. Assim, esta tese procura contribuir para o restauro dos ecossistemas fluviais Mediterrânicos através de uma abordagem multi-escala: a legislação que fomenta o restauro, e o restauro ao nível da bacia e do troço fluvial. Deste modo, procurou-se atingir os seguintes objetivos: a) analisar de que forma os mecanismos legislativos podem melhorar os padrões de restauro na Europa; b) avaliar por modelação SWAT os impactos dos efeitos combinados das alterações climáticas e da gestão do uso do solo na dinâmica fluvial do azoto numa bacia hidrográfica de cariz agrícola, com irrigação e problemas de iii captação de água; c) avaliar os resultados do restauro de uma zona húmida; d) avaliar os resultados do restauro de troços fluviais degradados num rio Mediterrânico