1

1

Ecosistemas Aquáticos

Dinâmica de Ecosistemas Aquáticos2006-2007

Aula 1

2

Aula 1

1. Definições e componentes de ecossistemas aquáticos2. Sistemas marinhos3. Sistemas estuarinos4. 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

3

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 neighbouringecosystems;

• 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

4

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.

3

5

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 intertidaland sub-tidal marine systems, lakes (natural and artificial), riverinesystems, floodplains, swamps, marshes, etc…

6

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.

4

7

8

5

9

10

6

11

12

Demersal fish landings per unit area1950-1998 showing highest, lowest, upper and lower quartiles

0

0.5

1

1.5

2

2.5

Atl.

NE

Atl.

NW

Pac

. NE

Pac

. NW

Atl.

SW

Pac

. SE

Pac

. SW

Atl.

WC

Atl.

EC

IO. E

IO. W

Med

.+B

S

Pac

. EC

Pac.

WC

tons

/km

2

PICES 25 October 2000

Ecosystem comparisons: why is productivity different?

7

13PICES 25 October 2000

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

14

8

15

Keith Brander 03/12/98

Cod catch at Greenland dependson temperature

from Brander1997

0

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Lan

din

gs

in t

ho

usa

nd

to

nn

es

0 . 5

1

1 . 5

2

2 . 5

Tem

per

atu

re

16

9

17

18

10

19

20

11

21

22

12

23

24

13

25

26

14

27

28

15

29

30

Detailed process models, IBMs, structured population models, behavioural models..

TheoryLiterature Experiments

ObservationsData assimilation

Lower trophiclevel models

Simplified biological models of target species

Grand challenge

Basic understanding of

mechanism

s and processes

3D coupled models

Climate changeFisheries

GLOBEC perspectiveGLOBEC perspective

PICES 25 October 2000

16

31

32

Inshore coastal environments: beaches, bays etc…

17

33

Strong gradients – inter tidal areas

34

Rocky shore environments – strong gradients

18

35

Species distributions and environmental gradients in the intertidal zone

36

19

37

38

20

39

40

21

41

The importance of predation as a structuring force

42

22

43

Estuarine systemsEstuarine systems consist of tidal wetlands that are usually semi-enclosed 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.

44

23

45

46

Strong tidal influence…..

24

47

Tides and salinitygradients

48

25

49

50

26

51

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

52

27

53

54

28

55

A ictiofauna do sapal-estuário e o desenvolvimento dum índice de

integridade biótica para monitorização e a avaliação das condições ambientais

(Projecto Guadiana)

56

Objectivos do estudo da comunidadeictiológica

• 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 espéciesprincipais 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

29

57

Trawl samplinglocations

Beach seine samplinglocations

Lower Guadianaestuary and CastroMarim salt marshsampling locations

• monthly sampling,• at night,• low tide,• lunar phase: last quarter,• professional fishermen,• Sep 2000 - Aug 2001

58

30

59Beach seine used in Castro Marim salt marsh creeks

60

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

61

Classificação das espécies

As espécies foram classificadas segundo os hábitos de reprodução, de migração e de ocorrência:

• Espécies residentes que vivem no estuário/sapal durante todoos 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.

62

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 invertebradosTolerância:• Espécies dulciaquícolas;

• Espécies dulciaquícolas - marinhas;• Espécies salobro - marinhas;• Espécies marinhas.Pelágico (associado com a coluna de água) ou bentónico

(associado mais com o fundo)

32

63

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 migradoresmarinhos);

• 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.

64

Baixo estuário e sapal

Estuário médio

33

65

SETSETSETSETNOVNOV

NOV

JANJAN

JAN

JAN

FEV

FEVFEV

MARMAR

MAR

MAR

ABR

ABR

ABRABR

MAIMAI

MAIMAI

MAIJUN

JUNJUN

JUN

JUL

JULJUL

JULAGOAGOAGO

AGO

axis 1

-1 -0.5 0 0 . 5 1

axi

s 2

-1

-0 .5

0

0 . 5

1

Verão

Sapal de Castro MarimCannonical correspondence analysis

Caudais máximos,salinidade mínima

66

Aal

Af

AanAth

Bb

Cl

C c

Dl

Dp

Da

Db

DsDv

Ee

Fh

GnHd

L a LrL s

M c

Mug

M b

M s

Pg

Ps

Pm

Pmin

Sp

Ss

Sc

Sa

Tt

axis 1

-1 -0 .5 0 0 .5 1

axi

s 2

-1

-0 .5

0

0 .5

1

Espécies dulciaquícolas

Espécies salobrase residentesJuvenis / espécies

marinhas

34

67

Aal

A f

AanAth

Bb

Cl

C c

Dl

Dp

Da

Db

DsDv

Ee

Fh

GnHd

L aLrL s

M c

Mug

Mb

M s

Pg

Ps

Pm

Pmin

Sp

Ss

Sc

Sa

T t

Temp

Sal

axis 1

-1 -0.5 0 0 . 5 1

axis

2

-1

-0.5

0

0.5

1

68

SETSETSETSETNOVNOV

NOV

JANJAN

JAN

JAN

FEV

FEVFEV

MARMAR

MAR

MAR

ABR

ABR

ABRABR

MAIMAI

MAIMAI

MAIJUN

JUNJUN

JUN

JUL

JULJUL

JULAGOAGOAGO

AGOT e m p

Sal

axis 1

-1 -0.5 0 0.5 1

axis

2

-1

-0.5

0

0.5

1

verão

cheias, caudais máximos

35

69

Aal

A f

AanAth

Bb

Cl

Cc

Dl

Dp

Da

Db

DsDv

Ee

Fh

GnHd

L aLrL s

Sc

Sa

T t

SETSETSETSETNOVNOV

NOV

JANJAN

JAN

JAN

FEV

FEVFEV

MARMAR

MAR

MAR

ABR

ABR

ABRABR

MAIMAI

MAIMAI

M A IJUN

JUNJUN

JUN

JUL

JULJUL

JULAGOAGOAGO

AGO

axis 1

-1 -0.5 0 0 . 5 1

axi

s 2

-1

-0.5

0

0 . 5

1

70

Aal

Af

AanAth

Bb

Cl

Cc

Dl

Dp

Da

Db

DsDv

Ee

Fh

GnHd

La LrLs

Sc

Sa

Tt

SETSETSETSET

NOVNOV

NOV

JANJAN

JAN

JAN

FEV

FEVFEV

MARMAR

MAR

MAR

ABR

ABR

ABRABR

MAIM A I

MAIMAI

MAIJUN

JUNJUN

JUN

JUL

JULJUL

JULAGOAGOAGO

AGOT e m p

Sal

axis 1

-1 -0.5 0 0.5 1

axi

s 2

-1

-0 .5

0

0 . 5

1

Espéciesdulciaquícolas

Espéciesmarinhas,juvenis

Espéciessalobras, residentes

36

71

Aal Aan

Ath

Bb

Cl

Dl

Dp

Da

Db

Ds

Dv

Ee

Fh

LaLrLs

Sc

Sa

JAN

ABR

ABR

ABRABR

MAIMAI

M A I

MAI

MAI

JUN

JUNJUN

JUN

JUL

JUL

JUL

JULAGO

AGO

AGO

AGO

axis 1

-0.5 0 0.5

axi

s 2

0

0.5

Zoom...

Principalmente juvenis:sparidae e robalo

72

Lusitanian toadfish (Halobatrachus didactylus)

Mullets (Liza aurata, L. ramada)

Sand goby (Pomatochistus microps)

Sea breams (e.g. Diplodus sargus)

37

73

European bass (Dicentrarchus labrax, D. punctatus)

Red mullets (Mullus surmuletus, M. barbatus)

Soles (Solea senegalansis, S. vulgaris)

74

Situação objectivo

Manutenção da diversidade:

• Manter uma diversidade característica de 30 - 40 espécies aolongo do ano no sapal;

• Manter uma diversidade característica de 30 - 40 espécies aolongo 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 baixoestuário (amostragem com arrasto);

• Entre 10 e 15 espécies por local ao longo do ano no médioestuário (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 81.

38

75

Fonte: Whitfield, A.K. and M. Elliott. 2002. Fishes as indicators of environmentaland ecological changes within estuaries: a review of progress and some suggestionsfor the future. J. Fish Biology 61(Suppl. A): 229-250.

Utilização de peixes como indicadores de integridade biológica

76

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 dacomunidade de peixes (“metrics”) que reflectam a qualidade daágua, 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

39

77

Exemplos de respostas esperadas

Fonte: Deegan et al. 1997. Development and validation of an estuarine biotic integrityindex. Estuaries 20: 601-617.

78

“Metrics” potencias

Fonte: EPA. Estuarine and Near Coastal Marine Waters: Bioassessment and Biocriteria Technical Guidance. (EPA 822-B-00-024).

40

79

Aplicações:

1.Tempos de residência: redução dos valores em anossecos:

• 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

80

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

81

Feeding Ecology and Food Web

• sampling period: September 2000 - August 2001• 1415 stomachs of the most important species

MDS based on mean seasonal values of CN%

Soles

Sea basses

Red mullets

Sea breams

Toadfish

82

Moronidae

MullidaeSparidae

Batrachoididae

Amphipoda

C. maenas

C. crangon

Insecta

Echinoidea

Other Teleostei

P. serratus

Algae, sea grass

Polychaeta

Autumn

42

83

Soleidae

Moronidae

Batrachoididae

C. maenas

C. crangon

Gobiidae

Other Crustacea

Other Teleostei

P. serratus

Polychaeta

Winter

84

Soleidae

Moronidae

Sparidae

Batrachoididae

Amphipoda

C. maenas

C. crangon

Gobiidae

Other Teleostei

Fisheggs

Algae, sea grass

Polychaeta

Cerastoderma spp.Spring

43

85

Moronidae

Mullidae

SparidaeAmphipoda

C. crangon

Gobiidae

Insecta

OtherTeleostei

P. serratus

Algae, sea grass

Polychaeta

Summer

86

a) b)

c) d)

Moronidae

MullidaeSparidae

Batrachoididae

Amphipoda

C. maenas

C. crangon

Insecta

Echinoidea

OutrosTeleostei

P. serratus

Planta

Polychaeta

Moronidae

MullidaeSparidae

Batrachoididae

Amphipoda

C. maenas

C. crangon

Insecta

Echinoidea

OutrosTeleostei

P. serratus

Planta

Polychaeta

Soleidae

Moronidae

Batrachoididae

C. maenas

C. crangon

Gobiidae

OutrosCrustacea

Outros Teleostei

P. serratus

Polychaeta Soleidae

Moronidae

Batrachoididae

C. maenas

C. crangon

Gobiidae

OutrosCrustacea

Outros Teleostei

P. serratus

Polychaeta

Soleidae

Moronidae

Sparidae

Batrachoididae

Amphipoda

C. maenas

C. crangon

Gobiidae

Outros Teleostei

Ovo deTeleostei

Planta

Polychaeta

Cerastoderma spp.

Soleidae

Moronidae

Sparidae

Batrachoididae

Amphipoda

C. maenas

C. crangon

Gobiidae

Outros Teleostei

Ovo deTeleostei

Planta

Polychaeta

Cerastoderma spp.

Moronidae

Mullidae

SparidaeAmphipoda

C. crangon

Gobiidae

Insecta

OutrosTeleostei

P. serratus

Planta

Polychaeta

Moronidae

Mullidae

SparidaeAmphipoda

C. crangon

Gobiidae

Insecta

OutrosTeleostei

P. serratus

Planta

Polychaeta

Autumn Winter

Spring Summer

44

87

Soleidae

Moronidae

MullidaeSparidae

Batrachoididae

Amphipoda

C. maenas

C. crangon

Gobiidae

Other Teleostei

Fish eggs

P. serratus

Algae, sea grass

Polychaeta

Cerastoderma spp.All Year

88

Xarroco

Robalos

Sargos

Linguados

Salmonetes

Tainhas

Carcinusmaenas

Gobius sp

Crangon crangon

Palaemon serratus

Amphipodes

Algas

Gastrópodes

Poliquetas

Camarões

Pulga-do-mar Matériaorgânica

Crustáceos

Isópodes

Fitoplâncton

Zooplâncton

Moluscos

Clupeídos

Sea bassesPhytoplankton

ZooplanktonMullets

Small pelagics

Gastropods

Polychaetes

Organicmatter

Crustaceans

Molluscs SolesShrimps

Toadfish

Algae,sea grasses

Amphipods

Sea breams

Red mullets

Isopods

Preferential prey: Secondary prey: Literature:

Food web partly based on data from other studies