Diversity and risk patterns of freshwater megafauna: A global perspective

Abstract

Freshwaters are amongst the most diverse and dynamic ecosystems globally and provide vital ecosystem services for human well-being. At the same time, they are subject to intense and increasing threats due to the rapid growth of human population and the subsequent rise in demand for energy and food. However, freshwaters remain underrepresented in both biodiversity research and conservation actions. Consequently, populations of vertebrates in freshwaters have declined by 83% from 1970 to 2014 - the rate of decline being much higher than that recorded in either terrestrial or marine ecosystems. In addition, one third of all classified freshwater species are threatened with extinction according to the International Union for Conservation of Nature Red List of Threatened Species (IUCN Red List). Freshwater megafauna, i.e. freshwater animals ≥ 30 kg, are particularly susceptible to extinction owing to their intrinsic characteristics such as large habitat requirements, long lifespan, and late maturity. Despite the fact that many freshwater megafauna species such as sturgeons, river dolphins, crocodilians and giant turtles are teetering on the edge of extinction, a synthesis of global freshwater megafauna is lacking. In particular, changes in population abundance and distribution ranges of freshwater megafauna at large scales (e.g. continental and global scales) remain unclear. In addition, relationships between extinction risks of freshwater megafauna species and their life-history traits, and how human threats impact on such relationships are as yet insufficiently explored. This thesis aims to gain a comprehensive picture of global freshwater megafauna, with emphasis on their distribution, conservation status, main threats, population trends, and extinction risks. The body-mass threshold of 30 kg was chosen to include most of the large freshwater animals with the potential of acting as flagship or umbrellas species. Based on this definition, I compiled a list of 207 extant freshwater megafauna species (i.e. 130 fishes, 44 reptiles, 31 mammals and 2 amphibians) and established a freshwater-megafauna database containing information on their distribution, life-history traits, population change, conservation status and intensity of human threats within their distribution ranges. I found that freshwater megafauna are threatened globally, with 54% of all classified species considered as threatened on the IUCN Red List. There are intense and growing anthropogenic threats in many diversity hotspots of freshwater megafauna such as the Amazon, Congo, Mekong and Ganges-Brahmaputra river basins. The main threats to freshwater megafauna include overexploitation, dam construction, habitat degradation, pollution and biological invasions. These threats can cause reduced fitness, disrupted reproduction and increased mortality of freshwater megafauna, leading to population decline and range contraction. Indeed, global populations of freshwater megafauna declined by 88% from 1970 to 2012. Decline rates of populations in Indomalaya (-99%) and Palearctic (-97%) realms, and in mega-fish (-94%) were even higher. In addition, distribution ranges of 42% of all freshwater megafauna species in Europe contracted by more than 40% of historical areas. I found that the extinction risk of freshwater megafauna is jointly determined by external threats and traits associated with species’ recovery potential (i.e. lifespan, age at maturity, and fecundity). This underscores the importance of maintaining species’ recovery potential, particularly for those freshwater megafauna species with the smallest population sizes. On the basis of such relationships, 16 out of 49 unclassified freshwater megafauna species were predicted as threatened. This thesis emphasizes the critical plight of freshwater megafauna globally. The loss of freshwater megafauna will pose, and most likely has already had profound impacts on other species and ecological processes in freshwaters and surrounding ecosystems. It also highlights large gaps in life-history data, monitoring and conservation actions for the world’s largest freshwater animals, which reflects a currently poorly recognized global need, i.e. the conservation for freshwater biodiversity. This urges for more research to gain a comprehensive understanding of these large animals and more activities in science communication and outreach to inform the public and policymakers of the crisis in freshwater biodiversity and engage them in freshwater conservation. Based on the results of this thesis, freshwater megafauna are able to indicate the ecological integrity of ecosystems they inhabit and hold the potential to act as flagship and umbrella species. A megafauna-based approach could be a promising strategy to promote freshwater biodiversity conservation benefiting a broad range of co-occurring species. This should be considered when developing conservation strategies and establishing protected areas to halt biodiversity loss in freshwaters.

Süßwasserökosysteme zählen zu den vielfältigsten und dynamischsten Ökosystemen weltweit. Sie bieten unverzichtbare Ökosystemdienstleistungen und sind essenziell für das menschliche Wohlergehen. Gleichzeitig sind sie aufgrund des rapiden Bevölkerungswachstums und der daraus resultierenden steigenden Nachfrage nach Energie und Nahrungsmitteln zunehmend intensiven Bedrohungen ausgesetzt. Trotzdem sind Süßwasserökosysteme in der Biodiversitätsforschung unterrepräsentiert und werden bei Schutzmaßnahmen vernachlässigt. Infolgedessen sind Populationen von Süßwasser-Vertebraten- zwischen 1970 und 2014 um 83% zurückgegangen. Die verzeichnete Abnahmerate ist weit höher als in terrestrischen oder marinen Ökosystemen. Darüber hinaus ist ein Drittel aller in der Roten Liste der bedrohten Arten der Weltnaturschutzunion (Roten Liste der IUCN) klassifizierten Süßwasserarten vom Aussterben bedroht. Süßwasser-Megafauna-Arten, d.h. Süßwassertiere ≥ 30 kg, sind aufgrund ihrer inhärenten Eigenschaften wie großer Lebensraumanforderung, langer Lebensdauer und später Geschlechtsreife besonders gefährdet. Obwohl viele Süßwasser-Megafauna-Arten wie Störe, Flussdelfine, Krokodile und Riesenschildkröten vom Aussterben bedroht sind, fehlt bisher eine umfassende Studie zur globalen Süßwasser-Megafauna. Insbesondere bleiben Änderungen der Populationsgröße und ihrer Verbreitungsgebiete in größeren, z. B. kontinentalen und globalen Maßstäben unklar. Darüber hinaus sind die Zusammenhänge zwischen ihrer Biologie, und dem Aussterberisiko der Süßwasser-Megafauna sowie den Auswirkungen menschlicher Einflüsse auf diese Beziehung wenig erforscht. Ziel dieser Arbeit ist es, ein umfassendes Bild der globalen Süßwasser-Megafauna zu gewinnen, wobei die Schwerpunkte auf Verbreitung, Erhaltungszustand, Hauptbedrohungen, Populationstrends und Aussterberisiko liegen. Die Schwelle einer Körpermasse von mindestens 30 kg wurde gewählt, um die meisten Megafauna-Arten, die Flaggschiff- oder Schirmarten für ihr Ökosystem sein könnten, mit zu erfassen. Basierend auf dieser Definition wurde eine Liste von 207 rezenten Süßwasser-Megafauna-Arten (130 Fische, 44 Reptilien, 31 Säugetiere, 2 Amphibien) erstellt und eine Süßwasser-Megafauna-Datenbank aufgebaut. Hierin wurden Informationen zu Verbreitung, Biologie, Populationsveränderung und Erhaltungszustand der Süßwasser-Megafauna-Arten sowie der Intensität menschlicher Bedrohungen innerhalb ihrer Verbreitungsgebiete erfasst. Dabei stellte sich heraus, dass die Süßwasser-Megafauna weltweit bedroht ist. Gemäß der Roten Liste der IUCN gelten 54 % aller klassifizierten Arten als gefährdet. In vielen Hotspots der Süßwasser-Megafauna, wie dem Amazonas-, Kongo-, Mekong- und Ganges-Brahmaputra-Einzugsgebiet, gibt es intensive und zunehmende anthropogene Bedrohungen. Zu den Hauptbedrohungen für die Süßwasser-Megafauna zählen Übernutzung, Staudammbau, Habitatverlust, Umweltverschmutzung und biologische Invasionen. Diese Bedrohungen können zu verminderter Fitness, gestörter Fortpflanzung und erhöhter Mortalität der Süßwasser-Megafauna führen, was zu einem Populationsrückgang und einer Verkleinerung ihrer Verbreitungsgebiete führt. Tatsächlich sind weltweite Populationen der Süßwasser-Megafauna von 1970 bis 2012 um 88% zurückgegangen. Der Populationsrückgang in Indo-Malaysia (-99%) und der Paläarktis (-97%) sowie bei Megafischen (-94%) ist sogar noch ausgeprägter. Darüber hinaus sind die Verbreitungsgebiete von 42% aller Süßwasser-Megafauna-Arten in Europa um mehr als 40% im Vergleich zu den historischen Gebieten geschrumpft. Das Aussterberisiko der Süßwasser-Megafauna wird sowohl von äußeren Bedrohungen als auch gleichzeitig von Merkmalen des Erholungspotenzials der Arten, das heißt Lebensdauer, Alter bei Geschlechtsreife und Fruchtbarkeit, bestimmt. Dies unterstreicht die Bedeutung des Erhalts des Erholungspotenzials insbesondere von Süßwasser-Megafauna-Arten mit kleinen Populationsgrößen. Auf der Basis dieser ermittelten Beziehungen wurden 16 von 49 bisher nicht klassifizierten Süßwasser-Megafauna-Arten als gefährdet prognostiziert. Dieser Arbeit zeigt die kritische Lage der Süßwasser-Megafauna weltweit auf. Ihr Verlust wird tief greifende Auswirkungen auf andere Arten und ökologische Prozesse im Süßwasser und angrenzenden Ökosystemen haben, bzw. höchstwahrscheinlich bereits gehabt haben. Darüber hinaus werden große Wissenslücken in Bezug auf Biologie, Lebenszyklus und weitere Merkmale dieser Arten aufgezeigt. Monitoring- und Erhaltungsmaßnahmen für die weltweit größten Süßwassertiere sind unzureichend. Dies zeigt einen bisher zu wenig beachteten globalen Handlungsbedarf für den Schutz der gesamten Süßwasser-Biodiversität auf. Weitergehende Forschung auf diesem Gebiet ist nötig, um ein umfassendes Verständnis über diese großen Tiere zu erlangen. Ferner sind verstärkte Aktivitäten in der Wissenschaftskommunikation und Öffentlichkeitsarbeit erforderlich, um die Öffentlichkeit und politische Entscheidungsträger über die Krise der Süßwasserbiodiversität zu informieren und diese in Schutzmaßnamen einzubinden. Auf der Grundlage dieser Resultate dieser Arbeit sind Süßwasser-Megafauna-Arten in der Lage, die ökologische Integrität der von ihnen bewohnten Ökosysteme aufzuzeigen, und besitzen das Potenzial, als Flaggschiff- und Schirmarten zu fungieren. Ein auf Megafauna-Arten fokussierenderr Ansatz könnte eine vielversprechende Strategie sein, um den Erhalt der gesamten Biodiversität im Süßwasser zu fördern und ein breites Spektrum gemeinsam vorkommender Süßwasser-Arten zu schützen. Bei der Entwicklung von Schutzstrategien und der Einrichtung von Schutzgebieten sollte dieser Ansatz berücksichtigt werden, um den Verlust der biologischen Vielfalt im Süßwasser zu aufzuhalten.