The Northern Humboldt current ecosystem and its resource dynamics [Elektronische Ressource] : insights from a trophic modeling and time series analysis / by Marc Hollis Taylor

Mtaylor

Sujets

• Biologie

Informations

• Publié par: universitat_bremen
• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 15
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 3 Mo

Extrait

The Northern Humboldt Current Ecosystem and its
resource dynamics: Insights from a trophic
modeling and time series analysis



Doctoral thesis
by
Marc Hollis Taylor

Submitted to Faculty 2 (Biology & Chemistry),
Bremen University
in partial fulfillment of the requirements for the degree of
Doctor rerum naturalium (Doctor of Natural Sciences)





March 2008, Bremen

























Advisory Committee:
1. Reviewer: Prof Dr. Matthias Wolff (Center for Tropical Marine Ecology (ZMT), Bremen,
Germany)
2. Reviewer: Dr. habil. Thomas Brey (Alfred Wegener Institute for Polar and Marine
Research (AWI), Bremerhaven, Germany)

1. Examiner: Prof. Dr. Wolf Arntz (Alfred Wegener Institute for Polar and Marine Research
(AWI), Bremerhaven, Germany)
2. Examiner: Dr. Werner Ekau (Center for Tropical Marine Ecology (ZMT), Bremen,
Germany)


The NHCE and its resource dynamics

Abstract
The Northern Humboldt Current Ecosystem (NHCE) is one of the most productive
in the world. Wind-driven coastal upwelling brings cool, nutrient-rich water to the photic
zone where rich plankton communities develop. This high productivity supports large
populations of small plankton-grazing pelagic fish, which are an important food source for
many higher predators and support a large fish meal industry. The NHCE is subject to
strong interannual environmental variability from the El Niño Southern Oscillation (ENSO),
which has direct and indirect effects on the biotic components of the ecosystem. This
complex mixture of environmental, trophic, and human influences calls for a holistic
approach for management. This thesis contributes to our understanding of the NHCE by
shedding light on the changes in energy flow that occur during strong "El Niño" events
(warm phase of ENSO) as well as differentiating between the relative importance of
environmental, trophic, and human influences in reproducing historical changes in
fisheries resources. Methods included the application of time-series and trophic modeling
analyses for two NHCE subsystems of different scale: i) the nearshore benthic
ecosystems of Independencia Bay and Sechura Bay (2 models, include the area of <30m
depth), and ii) the larger coastal upwelling system (4°-16°S with a 110km extension from
the coast). Comparisons of steady-state trophic models between a normal upwelling year
(~1995/96) and a strong El Niño year (1997/98) describe the changes in energy flow
structure. Longer-term dynamics were explored with multivariate analyses for the scallop
species Argopecten purpuratus, and with dynamic simulations of the trophic model.
Results show that during normal upwelling the NHCE is quite efficient on a large scale,
with most energy utilized (3.6% of total flows are exports). The nearshore subsystem is
much less efficient (~28% of total flows are exports) due to higher primary production and
low oxygen concentrations, preventing efficient utilization by primary consumers. During
El Niño, both subsystems show increased overall efficiency due primarily to improved
usage of the (reduced) primary production. El Niño appears to negatively affect flows at
higher trophic levels most, as observed through statistics of flow organization and
development (relative ascendancy, A/C) and cycling of energy (predatory cycling index,
PCI). Explorations of dynamics revealed a dominance of bottom-up control among
predator-prey interactions. The larger coastal upwelling subsystem showed a higher
importance of trophic interactions on dynamics than the nearshore benthic system.
Fishing-related changes are also more important in the larger upwelling system, while
dynamics appear to be dominated by environmental effects in the nearshore subsystem.
iThe spatial scale of the models affected the ability to reproduce dynamics, as the larger
scale of the coastal upwelling model contained a higher degree of closure of flows.
Recommendations are given for improving the models for future explorations of
management strategies; including the extension and standardization of historical time-
series data for a more robust analysis, and further research on the underlying
mechanisms of population dynamics for species showing strong environmental mediation.

ii The NHCE and its resource dynamics

Zusammenfassung
Das Ökosystem des nördlichen Humboldtstroms (NHCE) ist eines der
produktivsten auf der Erde. Der hauptsächlich vom Wind angetriebene küstennahe
Auftrieb bringt kühles, nährstoffreiches Wasser in die euphotische Zone, so dass dort
reichhaltige Planktongemeinschaften gedeihen können. Die hohe Primärproduktion ist die
Grundlage für riesige Bestände kleiner planktonfressender Fische, die eine wichtige
Nahrungsquelle für Räuber höherer Trophiestufen und der Rohstoff einer der weltweit
grössten Fischmehlindustrien sind. Das NHCE ist starken interannuellen
Umweltschwankungen ausgesetzt, die durch El Niño Southern Oscillation (ENSO)
verursacht werden und direkte und indirekte Auswirkungen auf die biotischen
Komponenten des Ökosystems haben. Neben ENSO sind trophische Interaktionen und
die Fischerei wichtige Einflussgrössen für die teils extremen Bestandsschwankungen der
Arten im NHCE. Ein holistischer Ansatz scheint angesichts der hohen
Verknüpfungsgrades der einzelnen Einflussgrössen am geeignesten, um die Prozesse im
NHCE zu verstehen und Managementempfehlungen ableiten zu können. Diese Arbeit
trägt zu unserem Verständnis des NHCE bei, indem sie die Veränderungen im
Energiefluss aufzeigt, die während El Niño-Ereignissen (warmen ENSO-Phasen) auftreten
sowie zwischen dem relativen Einfluss von Umwelt-, trophischen und anthropogenen
Einflüssen bei der Wiedergabe historischer Veränderungen in den Ressourcen
unterscheidet. Methodisch wurden Zeitreihenanalyse und trophische Modellierung auf
zwei Teilsysteme unterschiedlicher räumlicher Ausdehnung des NHCE verwendet: i) das
benthische Flachwassersystem in der Independencia Bucht und in der Sechura Bucht (2
Modelle, beinhaltet das Gebiet oberhalb der Sprungschicht: <30m Wassertiefe) und ii) das
grössere, küstennahe Auftriebsgebiet (4°-16°S, bis 110km Entfernung vor der Küste).
Vergleiche von trophischen steady-state Modellen zwischen Jahren mit normalem Auftrieb
(~1995/96) und einem starken El Niño Jahr (1997/98) beschreiben die strukturellen
Veränderungen im Energiefluss. Längerfristige Dynamiken wurden mit multivariater
Analyse für die Jakobsmuschel Argopecten purpuratus sowie mit dynamischen
Simulationen des trophischen Models untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass das NHCE
während normalem Auftrieb grossräumig sehr effizient arbeitet. Die meiste Energie wird
genutzt und nur 3.6% des gesamten Energieflusses werden exportiert. Aufgrund höherer
Primärproduktion kommt es zu niedrigeren Sauerstoffkonzentrationen im benthischen
Flachwassersystem, die die effiziente Nutzung der Primärproduktion durch die
Primärkonsumenten verhindern; das System ist weniger effizient und ~28% des gesamten
iiiEnergieflusses werden exportiert. Während El Niño zeigen beide Teilsysteme Abnahmen
im Gesamtfluss, hauptsächlich aufgrund der verringerten Primärproduktion. El Niño
scheint den Energiefluss höherer Trophiestufen am stärksten zu beeinflussen. Dies legen
statistische Analysen der Organisation und der Entwicklung des Energieflusses (relative
ascendancy, A/C) nahe sowie der Anteil des nichtexportierten Detritus, der höheren
Trophiestufen zur Verfügung steht (predatory cycling index, PCI). Andererseits
ermöglichen die verringerte Primärproduktion und erhöhte Sauerstoffkonzentrationen – im
Fall des benthischen Flachwasser-Teilsystems – während El Niño eine effizientere
Nutzung der Produktion mit geringeren Exporten und Abflüssen in den Detrituspool. Die
Untersuchung der Dynamiken zeigte ein Dominanz der bottom-up Kontrolle zwischen den
Räuber-Beute-Beziehungen. Im grösseren küstennahen Auftriebssystem waren
trophische Interaktionen von grösserer Bedeutung für die Dynamiken als im benthischen
Flachwassersystem. Auch der Einfluss der Fischerei auf Veränderungen war im
küstennahen Auftriebssystem grösser als im benthischen Flachwassersystem,
wohingegen die Dynamiken im benthischen Flachwassersystem durch Umwelteinflüsse
dominiert zu sein schienen. Die räumliche Ausdehnung der Modelle beeinflusste ihre
Fähigkeit, Dynamiken zu reproduzieren. So scheint die grössere Skala die Simulation der
Dynamiken im Modell des küstennahen Auftriebssystems verbessert zu haben, da sie
besser die Spanne möglicher ontogenetischer Bewegungen beinhaltet. Es werden
Verbesserungen der existierenden Modelle vorgeschlagen, um in Zukunft realistischere