Ecosistemas Aquáticos. Aula 1

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1 Ecosistemas Aquáticos Dinâmica de Ecosistemas Aquáticos Aula 1 1 Aula 1 1. Definições e componentes de ecossistemas aquáticos 2. Sistemas marinhos 3. Sistemas estuarinos 4. A ictiofauna do sapal-estuário (Guadiana) e o desenvolvimento dum índice de integridade biótica para monitorização e a avaliação das condições ambientais 5. Ecologia trófica do sapal-estuário (Guadiana) 2 1

2 What is an aquatic ecosystem? A question of scale: Large Marine Ecosystems (LME) e.g. Gulf of Mexico, Mediterranean Sea to an individual estuary or lake; In part, depends on objective: e.g. fisheries management, climate change, water resources management; Is usually characterised by the ecological processes which occur within it and between that ecosystem and other neighbouring ecosystems; All the elements of the food chain should be present, including primary producers, grazers, predators, and organisms such as bacteria; Sufficient suitable habitat (hydraulic habitat, physico-chemical habitat and geomorphological habitat) should be available for each member of the food chain 3 Components of an aquatic ecosystem water, whether standing, flowing or underground; physical habitat, including channel morphology or bathymetry, sediment characteristics and bedforms; vegetation, including riparian or fringing vegetation and instream vegetation (both submerged and emergent), algae and phytoplankton; biota, from macrofauna to microfauna; and biochemical and ecological processes, such as nutrient cycling. All of these components are necessary, and must be present with some degree of health, quality or integrity, in order to maintain a fully functional ecosystem, and so must be included in the working definition of an aquatic ecosystem. 4 2

3 Many classifications of aquatic ecosystems exist. Aquatic ecosystems are considered to include riverine systems, estuarine systems, coastal marine systems, wetland systems, floodplains, lakes (natural and artificial) and groundwater systems. Most widely used classification is that of Cowardin et al. (1979): Classification into five major systems: 1. Marine, 2. Estuarine, 3. Riverine, 4. Lacustrine, 5. Palustrine. Other classifications based on: geographical location, water quality and mode of formation. This has given rise to classifications such as intertidal and sub-tidal marine systems, lakes (natural and artificial), riverine systems, floodplains, swamps, marshes, etc 5 Marine systems Marine systems consist of the open ocean overlying the continental shelf and its associated exposed coastline. Marine habitats are exposed to the waves and currents of the open ocean and the water regimes are determined primarily by the ebb and flow of oceanic tides. Shallow coastal indentations or bays without appreciable freshwater inflow are also considered part of Marine systems because they generally support typical marine biota. 6 3

4 7 8 4

5 9 10 5

6 11 Ecosystem comparisons: why is productivity different? Demersal fish landings per unit area showing highest, lowest, upper and lower quartiles tons/km Atl. NE Atl. NW Pac. NE Pac. NW Atl. SW Pac. SE Pac. SW Atl. WC Atl. EC IO. E IO. W Med.+BS Pac. EC Pac. WC PICES 25 October

7 Physical drivers of variability: temperature, wind, light, runoff - all have spatial and temporal characteristics PICES 25 October

8 Cod catch at Greenland depends on temperature Landings in thousand tonnes Temperature Keith Brander 03/12/98 from Brander

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15 29 GLOBEC perspective 3D coupled models Climate change Fisheries Simplified biological models of target species Grand challenge Lower trophic level models PICES 25 October 2000 Theory Literature Detailed process models, IBMs, structured population models, behavioural models.. Experiments Observations Data assimilation Basic understanding of mechanisms and processes 30 15

16 31 Inshore coastal environments: beaches, bays etc 32 16

17 Strong gradients inter tidal areas 33 Rocky shore environments strong gradients 34 17

18 Species distributions and environmentalgradients inthe intertidalzone

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21 The importance of predation as a structuring force

22 Estuarine systems Estuarine systems consist of tidal wetlands that are usually semienclosed by land but have open, partly obstructed or sporadic access to the open ocean, and in which ocean water is at least occasionally diluted by freshwater runoff from the land. Estuarine systems include both estuaries and lagoons, and are more strongly influenced by their association with land than is the Marine system. In terms of wave action, estuaries are generally considered to be low energy systems. Salinity and temperature regimes tend to be highly variable, and salinities may periodically be increased above that of the sea by evaporation. Estuarine systems are often highly turbid and contain distinctive fauna. Salt marshes and mud and sand flats bordering estuaries and with an intertidal character are also considered Estuarine

23 45 Strong tidal influence

24 Tides and salinitygradients

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26 The influence of environmental factors (e.g. NAO)

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28 A ictiofauna do sapal-estuário e o desenvolvimento dum índice de integridade biótica para monitorização e a avaliação das condições ambientais (Projecto Guadiana) 55 Objectivos do estudo da comunidade ictiológica Caracterizar a comunidade ictiologica no baixo e médio estuário e no sapal ao longo do ano (abundância, riqueza específica, biomassa, composição em termos de juvenis/adultos); Estudar os habitos alimentares das espécies principais e as relações tróficas Caracterizar os parâmetros ambientais fundamentais (p.e. limitações, tolerâncias) Identificar espécies indicadoras Identificar a Situação de Referência e a Situação Objectivo 56 28

29 Lower Guadiana estuary and Castro Marimsalt marsh sampling locations Trawl sampling locations Beach seine sampling locations monthly sampling, at night, low tide, lunar phase: last quarter, professional fishermen, Sep Aug

30 Beach seine used in Castro Marim salt marsh creeks 59 Material e Métodos Trabalho de campo: Sapal: amostragem mensal em 5 locais com redinha; Estuário: amostragem mensal em 6 locais com arrasto de portas; Parâmetros: temperatura, salinindade, O2. Laboratório: Identificação; Comprimentos e pesos; Estado de maturação; Ecologia alimentar. Pesquisa bibliográfica: Estudos complementares; Idade de primeira maturação; Classificação: ciclo de vida, estado de conservação, limites de tolerância etc

31 Classificação das espécies As espécies foram classificadas segundo os hábitos de reprodução, de migra ção e de ocorrência: Espécies residentes que vivem no estuário/sapal durante todo os seu ciclo de vida; Espécies marinhas que utilizam o sapal como viveiro; Espécies marinhas ocasionais; Espécies migradoras anádromas e catádromas; Espécies dulciaquícolas ocasionais. Habitat: Sapal, baixo estuário, médio estuário. Estado de maturação: Juvenil ou adulto. 61 Classificação das espécies Frequência de ocorrência: Muito frequente ou frequente, raras ou ocasionais, muito raras. Categoria trófica: Filtradores, detrívoros, omnívoros, piscívoros e espécies que alimentam-se de invertebrados Tolerância: Espécies dulciaquícolas; Espécies dulciaquícolas - marinhas; Espécies salobro - marinhas; Espécies marinhas. Pelágico (associado com a coluna de água) ou bentónico (associado mais com o fundo) 62 31

32 Resultados principais (Situação de referência) total de 48 espécies (26 famílias) de peixe no sapal e estuário; predominância de espécies marinhas (em particular juvenis); relativamente poucas espécies residentes ou migradoras anádromas e catádromas; Espécies dominantes/características do sapal: P. microps (residente); Atherina spp. (residente); Mugilidae (residentes e juvenis de migradores marinhos), juvenis de Sparidae, S. pilchardus, D. labrax, M. surmuletus (juvenis de migradores marinhos); Espécies dominantes/características do baixo estuário: H. didactylus, D. sargus, D. vulgaris, D. labrax, S. vulgaris, S. senegalensis; Diversidade reduzida do estuário médio; Importância de salinidade. 63 Estuário médio Baixo estuário e sapal 64 32

33 axis Sapal de Castro Marim Cannonical correspondence analysis Verão SET SET JUN JUL JUL MAI JUN JUN JUL MAI MAI AGO AGO MAI MAI AGO JUL NOV NOV ABR ABR ABR MAR MAR MAR MAR JAN Caudais máximos, salinidade mínima JAN JAN JAN FEV FEV axis Juvenis / espécies marinhas Ss Fh Db Sa Af Mb Hd Gn Bb Espécies salobras e residentes PminPs axis 2 0 Ms Sp Ee Cl Ds Ls Dp Lr Mug La Ath Dv Aal Aan Pm Dl Da Pg Sc Mc -0.5 Cc Tt Espécies dulciaquícolas axis

34 1 Af Mb Hd Gn Sal 0.5 Ss Fh Db Sa Bb PminPs axis 2 0 Temp Ms Sp Ee Cl Ds Ls Dp Lr Mug La Ath Dv Aal Aan Pm Dl Pg Da Sc Mc Cc Tt axis Sal SET SET NOV NOV axis Temp verão JUN JUN JUL JUL MAI JUN JUN JUL MAI MAI AGO AGO MAI MAI AGO JUL ABR ABR ABR ABR JAN JAN JAN JAN FEV FEV cheias, caudais máximos -0.5 MAR MAR MAR MAR axis

35 1 Af Hd SET SET Gn NOV NOV axis ABR ABR Bb Db Sa Fh ABR JUN JUL JUL MAI JUN JUN Ee Cl Ds Ls Lr Dp La Ath JUL MAI MAI Dv AGO AGO Aal Aan MAI MAI Dl Da Sc AGO JUL JAN JAN JAN JAN FEV FEV FEV -0.5 MAR MAR MAR -1 MAR Cc Tt axis 1 69 axis 2 1 Espécies marinhas, 0.5 juvenis 0 Temp Sal Af Hd SET SET Gn NOV NOV ABR ABR Bb Db Sa Fh ABR JUN JUL JUL MAI JUN JUN Ee Cl Ds Ls Lr DpJUL La Ath MAI MAI Dv AGO AGOAal Aan MAI MAI Dl Da ScAGO JUL JAN JAN JAN JAN FEV FEV FEV Espécies salobras, residentes MAR MAR MAR MAR Cc Tt Espécies dulciaquícolas axis

36 Zoom Principalmente juvenis: sparidae e robalo axis 2 0 Fh Sa DbJUL JUN JUN JUL JUN JUN Ds DpJUL AGO Dv AGO Aal AGO MAI Dl AGO Da Sc Bb MAI Ee Ls MAI La MAI MAI Aan ABR ABR ABR ABR Cl Lr Ath JAN JUL axis 1 71 Lusitanian toadfish (Halobatrachus didactylus) Sand goby (Pomatochistus microps) Mullets (Liza aurata, L. ramada) Sea breams (e.g. Diplodus sargus) 72 36

37 European bass (Dicentrarchus labrax, D. punctatus) Red mullets (Mullus surmuletus, M. barbatus) Soles (Solea senegalansis, S. vulgaris) 73 Situação objectivo Manutenção da diversidade: Manter uma diversidade característica de espécies ao longo do ano no sapal; Manter uma diversidade característica de espécies ao longo do ano no baixo e médio estuário; Persistência de espécies frequente ou muito frequentes (espécies indicadoras); Entre 19 e 23 espécies por local ao longo do ano no baixo estuário (amostragem com arrasto); Entre 10 e 15 espécies por local ao longo do ano no médio estuário (amostragem com arrasto); Entre 22 e 25 espécies por local ao longo do ano no sapal (amostragem com redinha); Mas, o número total de espécies inventariados no estuário e sapal ao longo de 30 anos é

38 Utilização de peixes como indicadores de integridade biológica Fonte: Whitfield, A.K. and M. Elliott Fishes as indicators of environmental and ecological changes within estuaries: a review of progress and some suggestions for the future. J. Fish Biology 61(Suppl. A): Princípio ecológico do índice de integridade biótica Os níveis tróficos mais altos (peixes) exigem uma diversidade de funções e processos (condições ambientais, alimentares, habitat) para sobreviver, crescer e reproduzir. Um índice de integridade biótica é desenvolvido utilizando atributos da comunidade de peixes ( metrics ) que reflectam a qualidade da água, a estrutura dos habitats, os caudais, a cadeia alimentar e as interacções biológicas. Selecção de metrics : 1. Medidas de riqueza específica; 2.Medidas de composição e dominância; 3. Medidas de tolerância; 4.Medidas tróficas ou de habitat 76 38

39 Exemplos de respostas esperadas Fonte: Deegan et al Development and validation of an estuarine biotic integrity 77 index. Estuaries 20: Metrics potencias Fonte: EPA. Estuarine and Near Coastal Marine Waters: Bioassessment and Biocriteria Technical Guidance. (EPA 822-B )

40 Aplicações: 1.Tempos de residência: redução dos valores em anos secos: Redução no recrutamento de peixes que desovam no estuário? Metrics : abundância de E. encrasicholus, P. microps 2. Alterações na salinidade: Diminuição de habitats dulciaquícolas? Metrics : abundâncias de espécies salobras e dulciaquícolas 3. Tempo de permanência da salinidade: Impacto negativo sobre as espécies dulciaquícolas? Metrics : abundâncias de espécies salobras e dulciaquícolas 79 Aplicações cont. 4. Retenção de sedimentos, matêria orgânica e nutrientes: Redução da produtividade, impactos negativos sobre a cadeia alimentar e o recrutamento Degradação de habitats (principalmente no sapal) Metrics : Diversidade; Abundâncias, proporções e dominância; Números de piscívoros; etc

41 Feeding Ecology and Food Web sampling period: September August stomachs of the most important species Soles Sea basses Red mullets Sea breams Toadfish MDS based on mean seasonal values of C N % 81 Autumn Algae, sea grass Mullidae Sparidae Echinoidea P. serratus Amphipoda Batrachoididae Polychaeta Other Teleostei C. maenas Insecta Moronidae C. crangon 82 41

42 P. serratus Winter Batrachoididae Gobiidae Polychaeta Soleidae C. maenas Other Teleostei Moronidae Other Crustacea C. crangon 83 Spring Batrachoididae Cerastoderma spp. Fish eggs Sparidae Algae, sea grass Soleidae Amphipoda Polychaeta C. maenas Other Teleostei Gobiidae Moronidae C. crangon 84 42

43 Mullidae Summer Algae, sea grass Amphipoda Sparidae P. serratus Polychaeta Gobiidae Moronidae Insecta Other Teleostei C. crangon 85 Autumn Planta Winter P. serratus Mullidae Sparidae Batrachoididae Gobiidae Echinoidea P. serratus Amphipoda Polychaeta Soleidae Polychaeta Insecta Batrachoididae C. maenas OutrosTeleostei Moronidae C. maenas Outros Teleostei Moronidae Spring Cerastoderma spp. C. crangon a) Planta Mullidae OutrosCrustacea C. crangon Summer b) Planta Batrachoididae Ovo de Teleostei Sparidae Amphipoda Sparidae P. serratus Soleidae Amphipoda Polychaeta Gobiidae Polychaeta Gobiidae Moronidae Insecta C. maenas Outros Teleostei Moronidae Outros Teleostei C. crangon c) C. crangon 86 d) 43

44 All Year Mullidae Cerastoderma spp. Fish eggs Sparidae Algae, sea grass Amphipoda Batrachoididae P. serratus Polychaeta Gobiidae Soleidae C. maenas Other Teleostei Moronidae C. crangon 87 Food web partly based on data from other studies Sea Robalos basses Sea breams Sargos Palaemon serratus Gobius sp Crangon crangon Phytoplankton Fitoplâncton Amphipodes Amphipods Zooplankton Zooplâncton Red Salmonetes mullets Clupeídos Small pelagics Gastropods Gastrópodes Carcinus maenas Mullets Tainhas Algas Algae, sea grasses Camarões Shrimps Isópodes Toadfish Xarroco Isopods Pulga-do-mar Moluscos Molluscs Crustáceos Crustaceans Linguados Soles Polychaetes Poliquetas Organic Matéria matter orgânica Preferential prey: Secondary prey: Literature: 88 44