A spatially oriented ecosystem-based model to evaluate ecosystem impacts of fisheries

Abstract

The current study consisted of the first phase in the development of the original spatial-oriented ecosystem based model of the Economic Exclusive Zone of the Azores. This focused on testing the ability of the model to evolve from a static and time-explicit representation of the ecosystem to a spatially dynamic dimension, where environmental and fishing responses drove the spatial distribution of the organisms included in the model. The modelling approach encompassed the construction of the spatially explicit routine (Ecospace) of a previously developed Ecopath with Ecosim (EwE) model of the same area, to further address fisheries-related management questions within an ecosystem approach. The model was driven in time though a time series of fishing effort from 1997 to 2014, while Geographic Information Systems derived layers of depth and spatial distribution of primary production drove the spatio-temporal baseline dynamics. Since Ecospace introduces spatial variability in global model behaviour, it was expected that such a shift would improve the representativeness of ecosystem dynamics. Two main Ecospace models were constructed, with different organism’s foraging habitats use. The evaluation of the models in transit from Ecosim to Ecospace was performed based on the goodness of fit between model prediction and reference data of annual absolute catch and annual relative biomass for the period 1997-2014. For the reference model, organism’s habitat uses were assigned based on criteria of habitat preferences in the Azores. From this model, a calibration process guided by an evaluation of goodness of fit in the end of each run was initiated, until the achievement of a final model with better fit than Ecosim. The two Ecospace models were then analysed comparing the predictions of relative biomass spatial distribution in the beginning and in the end of the simulation, of the groups of which biomass and catch contributed the most for the differential goodness of fit. The introduction of spatial dynamics in trophic interactions enhanced the performance to predict potential impacts of fisheries in an ecosystem at a local scale. The model satisfactorily replicated the catch trends observed during the model period, while the biomass only observed a smooth increment. The results suggested that fisheries are not the main driver promoting the annual shifts of biomass. Although,limitation of Ecospace to simulate changes in productivity regime-shifts prevents the exploration of other mechanisms responsible for the observed tendencies. The species that benefitted the most with the Ecosim - Ecospace transition include highly important commercial species, such as Pagellus bogaraveo, Helicolenus d. dactylopterus and the functional group Pelagic Large that comprises the highly exploited species Xiphias gladius. The evaluation of spatio-temporal predictions between the two Ecospace models developed highlights the importance of inputting detailed local spatial information to develop spatial-temporal explicit models that consider environmental drivers, human impacts and food web effects. Though the final model requires future analysis to formally validate the predictions, it represents a step forward in the usage of spatial-oriented ecosystem based models to support the implementation of an ecosystem-based management approach, through marine spatial planning in the archipelago of the Azores.

O presente estudo consistiu na primeira fase de desenvolvimento do primeiro modelo de ecossistema com considerações espaciais da zona económica exclusiva dos Açores. O estudo foi focado em testar a exequibilidade do modelo em evoluir de uma representação do ecossistema explicitamente estático-temporal para uma dimensão dinâmica no espaço, onde respostas ambientais e de pesca conduzem a distribuição espacial dos organismos incluídos no modelo. A abordagem de modulação englobou a construção da rotina espacial (Ecospace) de um modelo Ecopath with Ecosim previamente desenvolvido para a mesma área, com o objetivo de explorar questões de gestão relacionadas com a pesca, numa abordagem focada no ecossistema. O modelo foi conduzido no tempo, através de séries temporais de esforço de pesca, desde 1997 a 2014 enquanto camadas de profundidade e de distribuição espacial de produção primária, derivadas de sistemas de informação geográfica, dirigiram a dinâmica espaço-temporal de base. Uma vez que o Ecospace introduz variabilidade espacial no comportamento global modelo global, foi previsto que a transição melhorasse a sua representatividade na dinâmica dos ecossistemas. Dois modelos Ecospace principais foram construídos com diferentes usos de habitat para forageamento dos organismos. A avaliação dos modelos em transitar do Ecosim para o Ecospace foi feita com base na qualidade de ajuste entre as previsões do modelo e dados de referência de apanha absoluta anual e biomassa relativa, durante o período 1997-2014. Para o modelo de referência, os usos de habitat dos organismos foram atribuídos com base num critério de preferências de habitat nos Açores. A partir deste modelo, iniciou-se um processo de calibragem guiado por uma avaliação da qualidade de ajuste no final de cada modelo, até se atingir um modelo final com um melhor ajuste do que o Ecosim. Os dois modelos de Ecospace foram analisados, comparando as previsões de distribuição espacial de biomassa relativa, no inicio e no fim da simulação, para os grupos cuja biomassa e apanha contribuíram mais para a diferente qualidade de ajuste. A introdução de dinâmica espacial nas interações tróficas, melhorou a performance em prever potenciais impactos da pesca num ecossistema à escala local. O modelo replicou satisfatoriamente as tendências das apanhas observadas durante o período do modelo, enquanto a biomasa apenas observou um melhoramento suave. Os resultados sugerem que as pescas não são o principal impulsionador das oscilações anuais de biomassa. No entanto, a limitação do Ecospace em simular alterações de regimes de produtividade impedem a exploração de outros mecanismos responsáveis pelas observações observáveis. As espécies que beneficiaram mais com a transição Ecosim - Ecospace incluem espécies de interesse comercial elevado, tais como Pagellus bogaraveo, Helicolenus d. dactylopterus e o grupo funcional de grandes pelágicos que inclui a espécie altamente explorada, Xiphias gladius. A avaliação das previsões espaço-temporais entre os dois modelos de Ecospace desenvolvidos, salientam a importância de introduzir informação espacial local detalhada para desenvolver modelos orientados espacialmente que considerem condutores ambientais, impactos humanos e efeitos na cadeia trófica. Embora o modelo requeira futuras análises para validar formalmente as previsões, o presente estudo representa um passo na utilização de modelos de ecossistema com considerações espaciais para apoiar a implementação de uma gestão baseada no ecossistema no arquipélago dos Açores.