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Ecosystem modelling in the Eastern Mediterranean Sea : the cumulative impact of alien species, fishing and climate change on the Israeli marine ecosystem

Xavier Corrales Ribas

Published 2019 in Unknown venue

ABSTRACT

Firstly, I reviewed modelling approaches that were used to assess the impact of invasive alien species (IAS) in aquatic ecosystems. According to the review, multispecies/ecosystem mechanistic models dominated the applications, with dynamic and non-spatial models being the most prevalent. Most of the models included an additional human stressor, mainly fisheries, climate change and/or nutrient loading. I summarised the main features of these applications and analysed their capabilities and limitations. Based on my conclusions, I reflected on future directions of development and applications of suitable modelling tools. The review showed that the Ecopath with Ecosim (EwE) modelling approach was frequently used to assess the impacts of already established IAS and highlighted its capabilities to forecast existing, emerging and potential new IAS. As a second step, I developed two static Ecopath ecosystem models using the EwE approach and representing the food web of the Israeli Mediterranean coast in 1990s and 2010s. I characterized the structure and functioning of the ecosystem and assessed past and current impacts of IAS and fishing. I then used the time-dynamic Ecosim module of EwE to fit the 1990s model to available time series of observations between both periods and to explore the historical dynamics of the ecosystem considering the effects of IAS, fishing dynamics and sea warming. Finally, the time-dynamic ecosystem model was used to analyse alternative future simulations of ecosystem change. Particularly, and after interacting with key stakeholders, I assessed the future effects of a new set of fishing regulations currently being implemented in Israel, future changes in sea temperature following IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) scenario projections and the potential increases in IAS biomass. I investigated the impacts of the stressors separately, and then I combined them to evaluate their cumulative effects. Results from the static Ecopath models highlighted that the Israeli marine ecosystem, despite productivity differences, shared some structural and functional traits with other Mediterranean ecosystems such as the dominance of the pelagic domain in term of flows, the important role of detritus through low trophic levels and the importance of the benthic-pelagic coupling. In both time periods investigated, the same keystone groups were identified with the exception of European hake in 2010s, which showed a decline in its keystone role. This may indicate that hake lost its ecological role due to population declines. Most of the functional groups identified as keystone species were previously identified as keystones in other Mediterranean ecosystems, such as dolphins, large pelagic fishes, sharks and squids. The temporal dynamic Ecosim model indicated that trophic interactions, ocean warming and fishing were important drivers of the ecosystem dynamics. In general, temporal biomass trends revealed that native demersal predators and native medium trophic level fishes largely declined over time, while an increase over time of alien species was observed. Results from ecological indicators suggested a degradation pattern of the ecosystem over time. Future scenarios using the temporal dynamic Ecosim model showed overall potential benefits of fishing effort reductions in the future, and detrimental impacts of increasing sea temperature and increasing biomass of alien species. Cumulative scenarios highlighted that the beneficial effects of fisheries reduction could be dampened by the impact of increasing sea temperature and alien species when acting together. These results support the need for reducing local and regional stressors, such as fishing and biological invasions, to retain marine ecosystems within a “safe operating space” and ensure ecosystem resilience in an ongoing warming and impacted sea. Los ecosistemas marinos del Mediterráneo oriental han sufrido cambios ecológicos importantes debido a múltiples presiones antropogénicas, incluido el impacto de especies invasoras, la sobrepesca y el calentamiento del mar. En primer lugar, he revisado los modelos que se han utilizado para evaluar el impacto de las especies invasoras en los ecosistemas acuáticos. De acuerdo con esta revisión, predominan los modelos mecanísticos de carácter multiespecífico/ecosistémico, siendo los modelos dinámicos y no espaciales los más frecuentes. La mayoría de los modelos incluyen un impacto antropogénico adicional, principalmente la pesca, el cambio climático y el aporte de nutrientes. Además, he resumido las principales características de estos modelos y he analizado sus capacidades y limitaciones. En base a las conclusiones de esta revisión, se han mostrado posibles direcciones para futuros desarrollos de los modelos y la aplicación de modelos adecuados. En esta revisión, he observado que el modelo Ecopath with Ecosim (EwE) ha sido utilizado frecuentemente para evaluar los impactos de las especies invasoras ya establecidas. Además, la revisión ha destacado las capacidades de EwE de pronosticar los futuros impactos de las especies invasoras establecidas, emergentes y potenciales. Otras revisiones disponibles en la literatura han demostrado las capacidades de EwE para evaluar los impactos de la pesca y el cambio climático. Por lo tanto, he desarrollado dos modelos estáticos Ecopath que representan la red trófica de la costa Mediterránea de Israel en los años 1990 y 2010 para caracterizar la estructura y funcionamiento del ecosistema y evaluar los impactos de las especies invasoras y la pesca en el pasado y en el presente. Después he utilizado el módulo dinámico-temporal Ecosim para ajustar el modelo de 1990 a series temporales de datos disponibles entre ambos periodos y para explorar la dinámica histórica del ecosistema considerando el efecto de las especies invasoras, la dinámica de la flota pesquera y el calentamiento del mar. Finalmente, el módulo dinámico-temporal ha sido utilizado para realizar simulaciones futuras de cambios en el ecosistema. En particular, he evaluado los efectos de un nuevo conjunto de regulaciones de pesca que se están implementando actualmente en Israel, futuros cambios en la temperatura del mar siguiendo las proyecciones del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC por sus siglas en inglés) y posibles aumentos de la biomasa de las especies invasoras. Primero he investigado los diferentes impactos por separado y, luego, los he combinado para evaluar sus efectos acumulativos. Los resultados de los modelos estáticos Ecopath han destacado que el ecosistema marino israelí, a pesar de un patrón de productividad diferente, comparte algunas características estructurales y funcionales con otros ecosistemas mediterráneos como el dominio del hábitat pelágico en términos de flujos tróficos, el importante papel del detritus a través de niveles tróficos bajos y la importancia del acoplamiento bentónicopelágico. Los mismos grupos funcionales clave fueron identificados en ambos periodos investigados, a excepción de la merluza en 2010, lo que puede indicar que la merluza ha perdido su papel ecológico debido al declive de su población. La mayoría de los grupos funcionales identificados como especies clave ya han sido identificados previamente como tales en otros ecosistemas mediterráneos como por ejemplo los delfines, los grandes peces pelágicos, los tiburones y los calamares. El módulo dinámico-temporal Ecosim indicó que las interacciones tróficas, el aumento de la temperatura del mar y la pesca jugaron un papel clave en la dinámica del ecosistema. En general, las tendencias temporales de la biomasa revelaron que los depredadores demersales nativos (por ejemplo, la merluza) y los peces demersal nativos de nivel trófico medio (por ejemplo, los salmonetes) disminuyeron en gran medida con el tiempo, mientras que se observó un aumento de las especies invasoras con el tiempo. Los resultados de los indicadores ecológicos sugirieron un patrón de degradación del ecosistema con el tiempo. Los escenarios futuros utilizando el módulo dinámico-temporal Ecosim mostraron los beneficios potenciales generales de las reducciones del esfuerzo pesquero y los impactos negativos del aumento de la temperatura del mar y el aumento de la biomasa de las especies invasoras. Los escenarios acumulativos resaltaron que los efectos beneficiosos de la reducción de la pesca pueden verse disminuidos por el impacto del aumento de la temperatura del mar y las especies invasoras cuando actúan al mismo tiempo. Estos resultados respaldan la necesidad de reducir los impactos antropogénicos locales y regionales como la pesca y las especies invasoras, para mantener los ecosistemas marinos dentro de un “espacio operativo seguro (SOS por sus siglas en inglés)” y promover la resiliencia de los ecosistemas en un mar en continuo calentamiento y altamente impactado. Els ecosistemes marins de la Mediterrànea oriental han patit canvis ecológics importants a causa de múltiples pressions antropogèniques, inclòs l’impacte d’especies invasores, la sobrepesca i el calentament del mar. En primer lloc, he revisat els models que s’han utilitzat per avaluar l’impacte de les espècies invasores en ecosistemes aquàtics. D’acord amb aquesta revisió, predominen els models mecanístics de caràcter multiespecífic/ecosistèmic, sent els models dinàmics i no espacials els més freqüents. La majoria dels models inclouen un impacte antropogènic adicional, principalment la pesca, el canvi climàtic i l’aport de nutrients. A més, he resumit les principals característiques d’aquest models i he analitzat les seves capacitats i limitacions. En base a les conclusions d’aquesta revisió, s’han exposat possibles direccions per futurs desenvolupaments dels models i l’aplicació de models adecuats. En aquesta revisió he observat que el model Ecopath with Ecosim (EwE) ha estat utilitzat freqüentment per avaluar els impactes de les espècies invasores ja

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