Integration of marine habitat information into the study of fish ecology: New approaches for ecosystem based fisheries management

Abstract

The overexploitation of marine living resources challenges the scientific community for developing new analytical approaches providing effective tools for marine management, ensuring long-term conservation of the harvested and threatened species. Currently, the scientific efforts are mainly focused on the development of techniques and concepts to improve the assessment and management of these populations from a holistic point of view within the framework of the Ecosystem Based Management (EBM). While the principles and objectives of EBM have been accepted by the scientific community and those responsible for the management of the fisheries and conservation, there is not a consensus about how it should be implemented. One of the decisive reasons hindering its implementation is the complexity related to the modeling of complex socio-ecological systems, which covers from environmentally driven effects to social aspects in the management. Focusing on key processes of ecosystems such as the relationships between species ecological processes and essential habitats offers a path to advance towards the implementation of EBM without having to reach the development of excessively complex end-to-end models of an ecosystem. The research developed along this PhD has two main objectives. 1) the application of new concepts and techniques to improve the characterization of essential habitats of two top predator species, the dusky grouper (Epinephelus marginatus, Lowe 1834) and the Atlantic bluefin tuna (Thunnus thynnus, Linnaeus 1758). 2) To propose new methodologies based on habitat information to improve current assessment and management approaches of those species. Conservation of dusky grouper and Atlantic bluefin tuna exploited populations is tackled today from different technical approaches due to differences in their ecological characteristics. Dusky grouper is a highly resident species that inhabits rocky bottoms in coastal Mediterranean ecosystems, where conservation of exploited populations through the establishment of marine protected areas has provided positive results. Atlantic bluefin tuna is a highly migratory pelagic species with a wide geographical distribution along the Atlantic waters, and performs long migrations during spring to reach the spawning areas, among of which the Balearic Sea is one of the main ones. Management of Atlantic Bluefin tuna is approached mainly by technical measures such as minimum weight regulation and limitations in the total allowable catches, established as a function of the status of the adult stock populations calculated from virtual population analysis. In recent years the application of traditional landscape ecology techniques to characterize habitat in the coastal environment has promoted the beginning of the seascape ecology discipline. These techniques have been applied here to improve the definition of dusky grouper essential habitats and to identify changes in habitat use along ontogenetic development. The definition of dusky grouper habitats at different developmental stages provided insights about the species ecology and provided criteria for designing more efficient Marine Protected Areas (MPAs). Findings from the study of dusky grouper essential habitat and the improvement on habitat definition by using seascape metrics provide the basis for developing new methods for MPA design within the framework of Rapid Assessment Programs. Therefore, in this PhD a method is proposed for rapid multidisciplinary environmental assessment of coastal areas for the design and management of MPAs. This method provide tools for the selection, design and management of coastal MPAs when time, budget or potential human pressures, either alone or in combination, create an urgent need for prioritization. The conceptual scheme applied to link littoral species with essential habitats and the transference to management has been adapted to the pelagic environment. Transferring ideas and techniques of seascape ecology to the pelagic realm was not straightforward. New pelagic seascape metrics have been proposed and tested to study the Atlantic Bluefin tuna spawning habitats around the Balearic Sea, advancing in the knowledge of species ecology. The developed pelagic seascape metrics have been applied to the development of a spawning habitat forecasting model to assist managers. This methodology is entirely based on oceanographic data obtained from operational data sources. Finally, monitoring and modeling Atlantic bluefin tuna pelagic essential habitats at larval stages allowed developing new larval indices, providing information on Atlantic bluefin tuna adult eastern stock population.

L’estat actual dels recursos vius i dels ecosistemes marins suposa un desafiament constant per a la comunitat científica, que obliga a un progrés continu que asseguri, a llarg termini, la seva explotació sostenible i la seva conservació. Avui en dia els esforços en la investigació se centren, en gran mesura, en el desenvolupament de tècniques i conceptes per millorar l’avaluació i la gestió d’aquestes poblacions des d’un punt de vista holístic en el marc de la gestió basada en l’ecosistema (EBM per les seves sigles en anglès). Mentre que els principis i objectius de l’EBM han estat acceptats per la comunitat científica i pels responsables de la gestió de la pesca i de la conservació, no existeix un consens sobre com s’ha d’aplicar. Un dels motius determinants que obstaculitzen la seva implantació és la complexitat associada a la modelització de sistemes socio-ecològics complexos, que abasta des dels efectes ambientals fins a aspectes socials en la gestió dels recursos. La identificació de processos clau en un ecosistema, com puguin ser les relacions entre l’ecologia de determinades espècies amb els seus hàbitats essencials, ofereix una possibilitat per avançar cap a l’aplicació de la EBM sense haver d’assolir el desenvolupament de models super-complexos que abordin tots els processos que ocorren en un ecosistema. Els diferents estudis desenvolupats al llarg d’aquesta tesi doctoral tenen dos objectius principals. En primer terme s’ aborda l’aplicació de noves tècniques i conceptes per tal de millorar la caracterització dels hàbitats essencials de dues espècies marines localitzades en els estatges superiors de la cadena tròfica, com són l’anfós (Epinephelus marginatus, Lowe 1834) i la tonyina vermella (Thunnus thynnus, Linnaeus 1758). En segon terme, el desenvolupament de metodologies basades en la informació obtinguda sobre els seus hàbitats essencials, la qual cosa permetrà millorar l’avaluació i gestió de les poblacions d’aquestes espècies. Avui dia, la conservació de les poblacions explotades de l’anfós i la tonyina vermella s’aborden des d’enfocaments ben diferenciats, sobre la base de les seves característiques ecològiques. L’anfós és una espècie altament resident que habita fons rocosos dels ecosistemes costaners de l’oceà Atlàntic, l’oceà Índic i el mar Mediterrani. La conservació de les seves poblacions explotades es basa principalment en l’establiment d’àrees marines protegides. Per la seva banda, la tonyina vermella és una espècie pelàgica amb una àmplia distribució geogràfica al llarg de l’Atlàntic, que realitza llargues migracions durant la primavera per arribar a les àrees de reproducció, entre les quals s’hi troba el Mar Balear. La gestió d’aquesta espècie es basa, principalment, en l’establiment de quotes de pesca a partir de l’avaluació de l’estat de les poblacions mitjançant l’aplicació de models monoespecífics. En els darrers anys l’aplicació de tècniques procedents de l’ecologia del paisatge terrestre (landscape ecology) en estudis d’ecologia del medi costaner ha donat lloc a l’inici de la “ecologia del paisatge marí” (seascape ecology). En els estudis desenvolupats en el marc d’aquest doctorat s’han aplicat aquestes tècniques per millorar la definició dels hàbitats essencials de l’anfós i per identificar canvis en l’ús de l’hàbitat al llarg del seu desenvolupament ontogènic. La millora en la identificació dels hàbitats essencials de l’anfós a diferents etapes del seu desenvolupament ha proporcionat informació rellevant sobre la seva ecologia i criteris per al disseny d’àrees marines protegides més eficients quant a la conservació d’aquesta espècie. Els resultats obtinguts durant l’estudi dels hàbitats essencials de l’anfós i la millora en la caracterització de l’estructura dels hàbitats a través de l’aplicació de mesures de paisatge submarí han proporcionat la base per al desenvolupament d’una metodologia de disseny d’àrees marines protegides en el marc dels programes d’avaluació ràpida (RAPs per les seves sigles en anglès). En aquesta tesi doctoral es proposa un mètode per a l’avaluació ràpida d’àrees costaneres des d’un enfocament multidisciplinari. Aquest mètode proporciona eines per a la selecció, disseny i gestió d’àrees marines protegides costaneres quan el factor temps, el pressupost o l’acció humana, ja sigui individualment o combinats, crea una necessitat urgent de priorització. L’esquema conceptual aplicat en l’anàlisi de les relacions entre l’ecologia de l’anfós i els seus hàbitats essencials i la transferència d’aquesta informació a la millora en l’avaluació i gestió de l’espècie s’ha adaptat a l’ambient pelàgic. La transferència d’idees i tècniques de l’ecologia del paisatge marí a l’ambient pelàgic ha suposat un repte al llarg d’aquest doctorat. S’han proposat noves mètriques de paisatge marí pelàgic, que s’han aplicat en l’estudi dels hàbitats de reproducció de la tonyina vermella en el Mar Balear, la qual cosa ha permès avançar en el coneixement de l’ecologia d’aquesta espècie i d’altres de túnids. Aquests avanços han permès el desenvolupament d’un model de predicció de la localització de les zones de reproducció de la tonyina a les Balears, basats completament en l’aplicació de dades procedents de l’oceanografia operacional (teledetecció i models hidrodinàmics). Finalment, la monitorització dels estadis larvaris de la tonyina vermella i l’anàlisi dels seus hàbitats essencials han permès desenvolupar índexs d’abundància larvària, i demostrar que la informació sobre l’hàbitat millora significativament l’avaluació d’aquest índexs. Aquests índexs larvaris estàn permetent analitzar l’evolució de la fracció adulta de la població oriental de tonyina vermella de l’Atlàntic, que es reprodueix al Mediterrani.

El estado actual de los recursos vivos y de los ecosistemas marinos supone un desafío constante para la comunidad científica, obligando a un progreso continuo que asegure, a largo plazo, su explotación sostenible y su conservación. Hoy en día los esfuerzos en la investigación se centran, en gran medida, en el desarrollo de técnicas y conceptos para mejorar la evaluación y gestión de estas poblaciones desde un punto de vista holístico en el marco de la gestión basada en el ecosistema (EBM por sus siglas en inglés). Mientras que los principios y objetivos de la EBM han sido aceptados por la comunidad científica y los responsables de la gestión de la pesca y la conservación, no existe un consenso sobre cómo debe aplicarse. Una de las razones determinantes que obstaculizan su implementación es la complejidad asociada a la modelización de sistemas socio-ecológicos complejos, que abarca desde los efectos ambientales hasta aspectos sociales en la gestión de los recursos. La identificación de procesos clave en un ecosistema, tales como las relaciones entre la ecología de determinadas especies con sus hábitats esenciales, ofrece una posibilidad para avanzar hacia la aplicación de la EBM sin tener que alcanzar el desarrollo de modelos super-complejos que aborden todos los procesos que ocurren en un ecosistema. Los diferentes estudios desarrollados a lo largo de esta tesis doctoral tienen dos objetivos principales. En primer lugar, la aplicación de nuevas técnicas y conceptos para la mejora de la caracterización de los hábitats esenciales de dos especies marinas localizadas en los estados superiores de la cadena trófica, el mero (Epinephelus marginatus, Lowe 1834) y el atún rojo del Atlántico (Thunnus thynnus, Linnaeus 1758). En segundo lugar, el desarrollo de nuevas metodologías, basadas en la información obtenida sobre hábitats esenciales, que permitan mejorar la evaluación y la gestión de las poblaciones de estas especies. Hoy en día, la conservación de las poblaciones explotadas del mero y el atún rojo se abordan desde enfoques técnicos bien diferenciados, en base a sus características ecológicas. El mero es una especie altamente residente que habita en fondos rocosos de los ecosistemas costeros del Mediterráneo. La conservación de sus poblaciones explotadas mediante el establecimiento de reservas marinas ha dado buen resultado. El atún rojo del Atlántico es una especie pelágica con una amplia distribución geográfica a lo largo de las aguas del Atlántico, que realiza largas migraciones durante la primavera para llegar a las áreas de reproducción, entre las que se encuentra el Mar Balear. La gestión de esta especie se basa, principalmente, en el establecimiento de tallas mínimas de captura y de cuotas de pesca a partir de la evaluación del estado de las poblaciones mediante la aplicación de modelos uni-específicos. En los últimos años la aplicación de técnicas procedentes de la ecología del paisaje terrestre (landscape ecology), en estudios de ecología en el medio costero ha dado lugar al inicio de la “ecología del paisaje marino”(seascape ecology). En los estudios desarrollados en el marco de este doctorado se han aplicado estas técnicas para mejorar la definición de los hábitats esenciales del mero y para identificar cambios en el uso del hábitat a lo largo de su desarrollo ontogénico. La mejora en la identificación de los hábitats esenciales del mero en diferentes etapas de desarrollo ha proporcionado información relevante sobre la ecología de esta especie y criterios para el diseño de áreas marinas protegidas más eficientes en cuanto a su conservación. Los resultados obtenidos durante el estudio de los hábitats esencial de mero, y la mejora en la caracterización de la estructura de los hábitats mediante la aplicación de medidas de paisaje marino, han proporcionado la base para el desarrollo de una metodología de diseño de áreas marinas protegidas en el marco de los programas de evaluación rápida (RAPs por sus siglas en ingles). En esta tesis doctoral se propone un método para la evaluación rápida de aéreas costeras desde un enfoque multidisciplinar. Este método proporciona herramientas para la selección, diseño y gestión de áreas marinas protegidas costeras cuando el factor tiempo, el presupuesto o la acción humana, ya sea solos o en combinación, crea una necesidad urgente de priorización. El esquema conceptual aplicado en el análisis de las relaciones entre la ecología del mero y sus hábitats esenciales y la transferencia de esta información a la mejora en la evaluación y gestión de esta especie, se ha adaptado al ambiente pelágico. La transferencia de ideas y técnicas de la ecología de paisaje marino al ambiente pelágico ha supuesto un reto a lo largo de este doctorado. Se han propuesto nuevas métricas de paisaje marino pelágico, que se han aplicado en el estudio de los habitats de reproducción del Atún rojo en aguas del Mar Balear, lo que ha permitido avanzar en el conocimiento de la ecología de esta especie y otras especies de túnidos. Estos avances han permitido el desarrollo de un modelo de predicción de la localización de las zonas de reproducción del atún rojo en Baleares, basados enteramente en la aplicación de datos procedentes de la oceanografía operacional (teledetección y modelos hidrodinámicos). Finalmente, la monitorización de los estadios larvarios del atún rojo y el análisis de sus hábitats esenciales han permitido desarrollar índices de abundancia larvaria, y demostrar que la información sobre hábitat mejora significativamente la evaluación de estos índices. Estos índices larvarios están permitiendo analizar la evolución de la población adulta de la población oriental del atún rojo del Atlántico, que se reproduce en el Mediterráneo.