Physical and Biogeochemical Impacts of Deep Bottom Trawling in Sedimentary Environments of the Western Mediterranean

Abstract

La pesca d’arrossegament és considerada una de les activitats antròpiques més nocives pel medi marí, degut a la seva extensió global, i l’elevada freqüència i intensitat. Com que aquest art està en contacte continu amb el fons marí, pot modificar la morfologia del fons i resuspendre grans volums de sediment, que poden ser advectats, erosionant els caladors i alterant les propietats del sediment. Amb la expansió global de la pesca d’arrossegament a caladors més profunds des dels anys 1950, s’estima que els impactes ocasionats per aquesta activitat poden ser intensificats, però encara hi ha una manca d’estudis d’aquests. L’objectiu d’aquesta tesi era estudiar els impactes físics i biogeoquímics de la pesca d’arrossegament profunda al marge occidental Mediterrani. Els impactes físics es van estudiar als canyons submarins catalans mitjançant l’anàlisi de més de 30 testimonis de sediment dels flancs i eixos dels sis canyons més importants de la costa. Aquest estudi va observar que els caladors, als flancs dels canyons, estaven erosionats, i aquest sediment és desplaçat als eixos dels canyons, duplicant i quadruplicant els ritmes de sedimentació degut a la expansió dels caladors a ambients més profunds als anys 1960 i 1970. Aquest impacte només s’observa en zones properes als caladors, i els ritmes de sedimentació induïts per la pesca disminueixen a major distància dels caladors. Un segon augment en el ritme de sedimentació va ser identificat en un dels canyons al principi dels 2000 degut a una modernització recent de la flota d’arrossegament, ressaltant la relació entre la tecnificació de la flota i les alteracions en els règims sedimentaris. Aquestes alteracions físiques del fons marí també modifiquen la biogeoquímica dels caladors, disminuint el contingut de matèria orgànica. Al Golf de Castellammare (Sicília), l’acumulació de matèria orgànica fresca i nutritiva en un calador erosionat i empobrit en nutrients (20-60 % menys matèria orgànica) va estimular la resposta microbiana. Tot i això, la elevada freqüència dels vaixells d’arrossegament ràpidament erosiona aquest sediment recent, inhibint la recuperació dels caladors del Golf de Castellammare. Aquest fet ens va suggerir que èpoques de veda podrien mitigar els impactes de la pesca d’arrossegament. No obstant, la comparació de testimonis de sediment agafats en diferents èpoques, incloent al final d’una veda de 2 mesos, als caladors del canyó de Palamós va demostrar que aquesta estratègia és insuficient per mitigar els impactes de la pesca d’arrossegament. El contingut de matèria orgànica als caladors estaven especialment empobrits en els compostos més làbils (52-70 % menys), perjudicant la preservació de matèria orgànica als sediments profunds i reduint la qualitat nutritiva dels caladors, el qual podria tenir impactes transcendentals a les comunitats bentòniques, incloent les espècies comercials. Aquests impactes van persistir durant totes les èpoques de mostreig, fins i tot després de la veda, degut als baixos ritmes de sedimentació en aquesta zona. Aquests resultats ressalten la vulnerabilitat i baixa resiliència d’ambients profunds, i recalca que la pesca d’arrossegament profunda perjudica la integritat dels fons marí més enllà de la seva capacitat de recuperació. Considerant l’expansió global dels caladors de pesca d’arrossegament, aquests impactes podrien ocórrer en talussos continentals a escala global.

La pesca de arrastre es considerada una de las actividades antrópicas más nocivas para el medio marino, debido a su extensión global, y la elevada frecuencia e intensidad. Puesto que este arte de pesca está en contacte continuo con el fondo marino, puede modificar la morfología del fondo y resuspender grandes volúmenes de sedimento, que pueden ser advectados, erosionando los caladeros y alterando las propiedades del sedimento. Con la expansión global de la pesca de arrastre a caladeros más profundos desde los años 1950, se estima que los impactos ocasionados por esta actividad pueden ser intensificados, pero todavía hay una falta de estudios. El objetivo de esta tesis era estudiar los impactos físicos y biogeoquímicos de la pesca de arrastre profunda en el margen occidental Mediterráneo. Los impactos físicos se estudiaron en los cañones submarinos catalanes mediante el análisis de más de 30 testimonios de sedimento de los flancos y ejes de los seis cañones más importantes de la costa. Este estudio observó que los caladeros, en los flancos de los cañones, estaban erosionados, y este sedimento es desplazado a los ejes de los cañones, duplicando y cuadriplicando los ritmos de sedimentación debido a la expansión de los caladeros a ambientes más profundos en los años 1960 y 1970. Este impacto sólo se observó en zonas próximas a los caladeros, y los ritmos de sedimentación inducidos por la pesca disminuyen a mayor distancia de los caladeros. Un segundo aumento en el ritmo de sedimentación fue identificado en uno de los cañones a principio de los 2000 debido a una modernización reciente de la flota de arrastre, resaltando la relación entre la tecnificación de la flota y las alteraciones en los regímenes sedimentarios. Estas alteraciones físicas en el fondo marino también modifican la biogeoquímica de los caladeros, disminuyendo su contenido de materia orgánica. En el Golfo de Castellammare (Sicilia), la acumulación de materia orgánica fresca y nutritiva en un caladero erosionado y empobrecido en nutrientes (20-60 % menos materia orgánica) estimuló la respuesta microbiana. A pesar de esto, la elevada frecuencia de los barcos de arrastre rápidamente erosiona este sedimento reciente, inhibiendo la recuperación de los caladeros del Golfo de Castellammare. Este hecho nos sugirió que épocas de veda podrían mitigar los impactos de la pesca de arrastre. No obstante, la comparación de testimonios de sedimento recuperados en diferentes épocas, incluyendo al final de una veda de 2 meses, en los caladeros del cañón de Palamós demostró que esta estrategia de gestión es insuficiente para mitigar los impactos de la pesca de arrastre. El contenido de materia orgánica en los caladeros estaba especialmente empobrecido en los compuestos más lábiles (52-70 % menor), perjudicando la preservación de materia orgánica en los sedimentos profundos y reduciendo la calidad nutritiva de los caladeros, lo cual podría tener impactos transcendentales en las comunidades bentónicas, incluyendo las especies comerciales. Estos impactos persistieron en todas las épocas de muestreo, incluso después de la veda, debido a los bajos ritmos de sedimentación en esta zona. Estos resultados resaltan la vulnerabilidad y baja resiliencia de ambientes profundos, y recalca que la pesca de arrastre profunda perjudica la integridad del fondo marino más allá de su capacidad de recuperación. Considerando la expansión global de los caladeros de pesca de arrastre, estos impactos podrían ocurrir en taludes continentales a escala global.

Bottom trawling is considered one of the most harmful anthropogenic activities in the marine environment given its widespread occurrence, high frequency, and intensity. Since bottom trawling gear are in continuous contact with the seafloor, it can modify seabed morphology by erasing natural sedimentary structures and resuspend large volumes of sediment, which can be advected from trawling grounds, eroding the seafloor and altering sediment properties. With the global expansion of bottom trawling to deeper fishing grounds since the mid-XXst century, it is expected that the impacts caused by this activity will be intensified, but studies assessing them are still scarce. The aim of this thesis was to study the physical and biogeochemical impacts of deep bottom trawling in the Western Mediterranean margin. The physical impact of bottom trawling in submarine canyons of the Catalan margin was studied through the analyses of over 30 sediment cores collected in canyon flanks and axes of six major submarine canyons incising the continental slope. This study observed that trawling grounds located along the canyon flanks are highly eroded, and this sediment is displaced towards the canyon axis, leading to a two- to four-fold increase in sedimentation rates in their axes since the expansion of bottom trawling grounds to deeper environments during the 1960s and 1970s. Trawling-enhanced sedimentation in these canyons are limited to areas located next to bottom trawling grounds, and trawling-derived sedimentation rates decrease towards the lower canyon axis with greater distance from bottom trawling grounds, leaving deeper areas unaffected. A second increase in sedimentation rates was observed in one of the canyons in the early XXIst century derived from the recent modernization of bottom trawling fleets, highlighting the clear interrelation between fleet technification and the modification of sedimentary regimes. These continuous physical alterations can also modify the biogeochemistry of deep bottom trawling grounds, depleting sedimentary organic matter. In the Gulf of Castellammare (Sícily), the accumulation of fresh and nutritionally rich organic matter in nutrient-deprived (20-60 % less organic matter) and eroded deep bottom trawling stimulated the microbial response, causing high turnover rates of labile organic matter. However, the high trawling frequency quickly erodes freshly-accumulated sediment, inhibiting the recovery of fishing grounds in the Gulf of Castellammare. This initially suggested that temporal trawling closures could mitigate the impacts of bottom trawling. However, the comparison of sediment cores collected during several seasons, including towards the end of a 2-month trawling closure in fishing grounds of Palamós Canyon revealed that this management strategy is insufficient to mitigate the impacts of bottom trawling. Organic matter in the trawled site was especially impoverished in the most labile biomarkers (52-70 % loss), hampering the preservation of organic matter in deep-sea sediments and diminishing the nutritional quality on trawling grounds, which could have transcendental impacts on benthic communities, including the targeted commercial species. These impacts persisted in every sampling season, even after the temporal trawling closure, since the low sedimentation rates of the area is not capable of restoring these fishing grounds. These results highlight the vulnerability and low resiliency of deep-sea environments, and stresses that deep-sea trawling damages the seafloor's integrity beyond repair. Considering the global expansion of bottom trawling grounds, these impacts could be occurring in trawled continental slopes worldwide.