Impact assessment of multiple stressors on the Mondego estuary: a multidimensional approach on the bivalve Scrobicularia plana

Abstract

The main goal of the present thesis was to assess the impacts of anthropogenic and natural stressors on the Mondego estuary. In order to achieve this purpose, the ecological responses of the macrobenthic community, and particularly of the bivalve Scrobicularia plana, to multiple stressors and under different ecological scenarios were studied. Focusing on the dynamics and production of macrobenthic assemblages and key species of the estuary is a good evaluation method of the ecological integrity and is important to understand how the ecosystem reacts to ecological impacts and how it will respond to future changes. The thesis core is divided in three main chapters, focusing on: 1) the impacts of anthropogenic and natural stressors on the macrobenthic community and on one of its main components (bivalves); 2) the ecological behaviour of S. plana under different environmental scenarios and by the development of a population dynamics model, simulating eutrophication and restoration conditions; 3) the ecological patterns of several S. plana populations along its distributional range, intending to assess different life strategies on populations of the same species. In Chapter 1, the interactions between eutrophication and intense floods were assessed, centring on the dynamics of the macrobenthic assemblages of the Mondego estuary. Therefore, changes in density and biomass, trophic structure, diversity and spatial distribution were analysed from 1993 to 2002. The eutrophication process clearly affected the macrobenthic community (decline in species richness, decline in herbivores and increases in detritivores and small deposit feeding polychaetes), which showed strong signs of recovery after restoration. However, additional stressors (flood) had more severe effects on these assemblages then expected, stopping the recovery process. Furthermore, two of the main species of this community were studied and compared, analysing long-term changes in dynamics and production over a 13-year period on two distinct habitats on the estuary, intending to assess the influence of multiple stressors and the existence of interactions between these species. S. plana and Cerastoderma edule showed different spatial distribution patterns on the estuary and contrasting responses to eutrophication. The combined effects of multiple stressors seem to severely affect the S. plana population. In Chapter 2 an ecological model to simulate the population dynamics was developed, using data from three sampling areas under different ecological scenarios – eutrophication (1993 to 1995) and restoration (1999 to 2002). The model is regulated by water temperature, salinity and population density, controlling recruitment and mortality. The occurrence of extreme values of environmental variables had the strongest effect on the model, and possibly on the real system. Results seem to corroborate the notion that system restoration was successful. In fact the model performance was highest under the restoration scenario, indicating that the system became more predictable. Finally, in Chapter 3, the existence of latitudinal variations on the ecological patterns of a species along its distribution range was assessed on S. plana. An extended bibliographic research and field data from the Mondego estuary was the base of this study, focusing on reproduction patterns, population dynamics, growth and production. Areas in the middle of the distribution range of this species seem to show optimal ecological conditions, showing long reproduction periods and the highest abundance, growth rates and production values. The ecological performance of S. plana seemed to decrease towards both its North and South limits of distribution and different life strategies were observed along the geographic range of the species.

A presente dissertação tem como principal objectivo a avaliação do efeito de impactos de origem antropogénica e natural no estuário do Mondego. Desta forma, foram realizados estudos para inferir as respostas ecológicas da comunidade macrobentónica, com especial incidência no bivalve Scrobicularia plana, em relação a agentes de stress múltiplos e em diferentes cenários ecológicos. A produção e dinâmica das associações macrobentónicas e de espécies-chave do estuário são bons métodos de avaliação da integridade ecológica do ecossistema e importantes para prever como irá reagir a impactos e alterações futuras. Assim, a estrutura da tese é constituída por três capítulos principais incidindo em: 1) impacto de perturbações antropogénicas e naturais na comunidade macrobentónica e num dos seus grupos principais, os bivalves; 2) o comportamento ecológico de Scrobicularia plana em diferentes molduras ambientais, através do desenvolvimento de um modelo populacional com simulações de condições de eutrofização e de recuperação; 3) padrões ecológicos de várias populações de S. plana ao longo da sua distribuição latitudinal, com o intuito de determinar diferentes tipos de estratégias em populações da mesma espécie. No capítulo 1, as interacções entre a eutrofização e cheias intensas foram determinadas, centrando-se ao nível da dinâmica das comunidades macrobentónicas do estuário do Mondego. Assim, foram analisadas alterações de densidade, biomassa, estrutura trófica, diversidade e distribuição espacial entre os anos de 1993 e 2002. Concluiu-se que o processo de eutrofização afectou claramente a comunidade macrobentónica, reflectindo-se no declínio da riqueza específica e herbívoros e no aumento de detritívoros e pequenos poliquetas, mas após a instauração do plano de gestão registaram-se sinais significativos de recuperação. No entanto, o efeito adicional de cheias causou consequências mais severas nas associações do que o inicialmente esperado, levando à interrupção do processo de recuperação. Ainda, duas das espécies mais importantes da comunidade foram estudadas e comparadas através da análise de alterações de longo prazo da sua dinâmica e produção, durante um período de 13 anos, em dois habitats estuarinos distintos, com o intuito de determinar o efeito de agentes de stress múltiplos e a existência de interacções entre as espécies. S. plana e Cerastoderma edule mostraram diferentes padrões de distribuição espacial no estuário e respostas contrárias face à eutrofização. O efeito cumulativo de agentes de stress múltiplos parece ter afectado mais intensamente a população de S. plana. No capítulo 2, desenvolveu-se um modelo ecológico para simular a dinâmica de população, com dados de 3 locais de amostragem sob cenários ecológicos diferentes – eutrofização (1993-1995) e recuperação (1999-2002). O modelo é regulado pela temperatura da água, salinidade e densidade populacional que controlam o recrutamento e mortalidade. A ocorrência de valores extremos de variáveis ambientais causou o efeito mais forte no modelo e possivelmente no sistema real. Os resultados obtidos parecem sustentar o sucesso do programa de recuperação ambiental, uma vez que o desempenho do modelo foi maior neste cenário e indicando ao mesmo tempo que o sistema se tornou mais previsível. No capítulo 3, foi determinada a existência de uma variação latitudinal nos padrões ecológicos de S. plana ao longo da sua área de distribuição. Este estudo teve como base uma pesquisa bibliográfica extensa e dados de campo do estuário do Mondego, tendo incidido nos padrões de reprodução, dinâmica populacional, crescimento e produção. As áreas no centro da distribuição geográfica desta espécie parecem apresentar condições ecológicas óptimas, com períodos de reprodução mais longos, elevadas abundâncias, taxas de crescimento e valores de produção. O desempenho ecológico de S. plana parece diminuir em direcção aos limites de distribuição, apresentando estratégias de vida diferentes ao longo do gradiente latitudinal.