Analysis and spatial mapping of marine coastal ecosystem services: integrating biophysical and socioeconomic data at different spatial resolution levels

Abstract

Ecosystem services (ES) are defined as the final outcomes of the internal structures, processes, and functions derived from ecosystems that contribute to human well-being. It is a growing and valuable concept that supports the achievement of Sustainable Development Goals, facilitating connections between people and nature. Nevertheless, although ES have gained representation in science and policy agendas, a gap remains between ES research and the information required to support management decisions. To fulfil this gap, this thesis contributes to highlight the pathways through which the ES concept can be made usable to decision-makers, adding information and presenting methodological approaches organized in two operationalisation facets: A) Access to reliable datasets (i.e. availability of site-specific spatial datasets), and B) support to management actions (i.e. effects of pressures on the delivery of ES). This work is focused on coastal and marine ecosystems and uses the Atlantic coastal region adjacent to the Mondego River as a case study. This region was selected due to community interest to develop environmental management proposals and the willing of local decision-makers to implement an ecosystem-based management to promote the sustainable development of the area. The accomplishment of the abovementioned objective was driven by three main research questions: 1) Are current open source spatial databases suitable to informed decision-making related to coastal and marine ecosystem services in Europe?; 2) Can gap analyses based on site-specific databases contribute to the development of ES research and knowledge transfer?; and lastly, 3) How to explore the role of ES supply and demand in spatial explicit habitat risk assessments? The chapters cover the necessity to gather, systematize and organize information regarding ecosystem services status, trends and gaps (Chapters I, II and III), and the application of conceptual approaches (Chapter III) as well as methodological approaches (Chapters III and IV) to identify the relationships between the ecological characteristics of habitats, the pressures acting on the system, and the role of management actions and decision-making to support the operationalisation of the ecosystem services approach. Chapter I introduces the ES concept, describes the current state of ES studies, placing emphasis on coastal and marine ecosystems, and presents the needs for information to guide decision-making in terms of current conceptual, methodological, policy and applicability challenges. This chapter also describes the main characteristics of the Atlantic coastal region adjacent to the Mondego River, used as a case study to test our proposals. Chapter II covers facets A and B and addresses research question 1. It presents a set of useful databases to map European coastal and marine ES with a deep analysis linked to the Common International Classification of Ecosystem Services (CICES) framework, as well as the Driver-Pressure-Status-Impact and Response (DPSIR) management framework and their utility to support the Marine Strategy Framework Directive. 581 open source databases were analysed, but only 193 allowed further work to map ecosystem services. Most of these were related to regulation services and had the ability to report the status of ecosystems and the Marine Strategy Framework Directive (MSFD) descriptors linked with hydrogeological conditions (D7), Eutrophication (D5), and Biodiversity (D1). The results highlight the open source spatial data limitations to be integrated into in-depth study case analyses focused on mapping ecosystem services in Europe, as well as the need to improve the metadata behind the datasets for a better interpretation of the information. Chapter III is linked to facets A and B and addresses research question 2. It presents a multicriteria decision-making approach to identify ES research hotspots at the local level, based on a literature review of coastal and marine ES. This methodology identified 231 potential and current CICES ecosystem services, linked to 21 EUNIS (European Nature Information System) habitats in the study area. The results highlight the local importance of cultural services and the need to deepen ES research associated to saltworks’ habitats. In addition, the results emphasize the value and necessity to establish priority areas for management actions, since it is not possible to manage large areas at the same time with enough efficiency to obtain good results in all of them. Chapter IV focuses on the operationalisation of facet B and addresses research question 3. This chapter establishes an explicit spatial relationship between habitat risk and the vulnerability of ecosystems in the presence of ES supply, using a modified habitat risk assessment (HRA) model from the InVEST tool. The results indicate that the modified HRA model appears to be more in accordance with the social-environmental realm than a non-modified HRA model, suggesting its usefulness for decision-making processes. For the study area, intertidal habitats, specially seagrasses, were identified to be at risk due to sea level rise and Nitrogen enrichment, however the results also indicate that these habitats are sensitive to management actions, and thus may be positively influenced by actions that tend to reduce their exposure to risk. The findings could be a useful addition to the political management documents that recommend taking precautionary actions to protect potentially vulnerable areas. Chapter V offers a discussion about the need to manage information and create consensus in operative definitions, promote the legitimization of shared objectives and to prioritize actions to avoid the risk of service loss, taking into account the dynamic and context dependence of ecosystem services, as well as a friendly communication strategy to ensure the participation of all social actors in the accomplishment of the objectives defined. The study also suggests ways to introduce ES in decision making through understandable and replicable steps, especially in local scales with scarce information. In summary, this study focuses on the importance of information to describe the spatial heterogeneity that makes it possible to recognize the potential of ecosystems to meet the human demand for services and to improve the understanding and management of ES across scales. Likewise, it stresses the importance of the existence of conceptual and methodological frameworks to provide structure to the real-world, highlighting important avenues for the assessment of ecosystem services and ways to communicate results from the scientific community to policymakers and practitioners.

Os serviços dos ecossistemas (SE) podem-se definir como o resultado final das estruturas internas, processos e funções derivados dos ecossistemas, que contribuem para o bem-estar humano. Este é um conceito em ascensão e importante para atingir os Objetivos do Desenvolvimento Sustentável, nomeadamente por facilitar a conexão entre as pessoas e a natureza. Embora os SE tenham ganhado protagonismo nas agendas científica e política, ainda há uma lacuna entre a investigação em SE e a informação necessária para apoiar decisões de gestão. Neste contexto, este trabalho contribui para o processo através do qual o conceito de SE se torna útil para os decisores políticos, por meio da apresentação da informação e propostas metodológicas que têm sido organizadas em duas facetas do processo de operacionalização: A) Acessibilidade a bases de dados confiáveis (i.e., na disponibilidade de dados espaciais), e B) Apoio à gestão (i.e., nos efeitos das pressões no fornecimento de SE). O trabalho foca-se nos ecossistemas marinho-costeiros e utiliza a Região da Costa Atlântica adjacente ao Rio Mondego como caso de estudo. Esta área tem sido escolhida com base no interesse da comunidade para desenvolver propostas de gestão ambiental e pela disponibilidade dos decisores locais para implementar uma gestão na base dos ecossistemas para promover o desenvolvimento sustentável da área. Para atingir o objetivo acima mencionado o trabalho foi orientado para três questões científicas: 1) Serão as atuais bases de dados espaciais em formato aberto adequadas para apoiar decisões informadas sobre os SE marinho-costeiros na Europa? 2) Poderá a análise de lacunas em bases de dados locais contribuir para o desenvolvimento da investigação em SE e, assim, apoiar a transferência de conhecimento? 3) Como integrar a análise da oferta e da procura em SE numa análise de risco de habitats de forma espacialmente explícita? Os capítulos cobrem a necessidade de reunir, sistematizar e organizar informação relacionada sobre o status dos serviços dos ecossistemas, as tendências e as lacunas ali existentes (Capítulos I, II e III), e a aplicação de abordagens conceptuais (capítulo III) bem como as propostas metodológicas (Capítulo III e IV) a fim de identificar as relações entre as características ecológicas dos habitats, as pressões que atuam sobre o sistema e o papel das ações de gestão e decisões tomadas para apoiar a abordagem dos serviços dos ecossistemas. O Capítulo I apresenta o conceito dos SE, descreve o estado da arte do tema, com ênfase nos ecossistemas marinho-costeiros, e apresenta as necessidades de informação em SE para orientar a tomada de decisões, considerando desafios conceituais, metodológicos, políticos e de aplicação. Este capítulo também descreve as principais características da Região da Costa Atlântica adjacente ao Rio Mondego, usada como estudo de caso para aplicar nossas propostas. O Capítulo II integra as facetas de operacionalização A e B e responde à questão 1). Apresenta um conjunto de bases de dados úteis para mapear os SE marinho-costeiros na Europa e faz uma análise profunda vinculada à estrutura da Classificação Internacional dos SE (CICES) e à estrutura de gestão DPSIR, assim como à sua utilidade para apoiar a Diretiva-Quadro Estratégia Marinha. 581 bases de dados de código aberto foram analisadas, mas apenas 193 tiveram potencial para ser envolvidas em trabalhos de mapeamento de SE na Europa. A maioria das bases de dados está relacionada com os serviços de regulação e tem capacidade para informar sobre o status dos ecossistemas e sobre os descritores relacionados com as condições hidrogeológicas (D7), de eutrofização (D5) e a biodiversidade (D1) da Diretiva Quadro da Estratégia Marinha (MSFD). Assim, os resultados deste capítulo sublinham as limitações e os desafios das bases de dados de acesso aberto para se integrar em estudos mais profundos sobre mapeamento dos SE na Europa e identificam as lacunas e oportunidades que estas oferecem para a gestão sustentável dos ecossistemas marinho-costeiros. O Capítulo III integra as facetas A e B e responde à questão 2). Com base em revisão de literatura, apresenta uma abordagem para a tomada de decisões multicritério capaz de identificar hotspots de investigação em SE ao nível local. Os resultados permitiram identificar, na área em estudo, 231 SE atuais e potenciais, em conformidade com a CICES, vinculados a 21 habitats EUNIS, com destaque para a importância local dos serviços culturais e a necessidade de uma maior investigação associada aos habitats Salinas. Os resultados deste capítulo sublinham o valor e a necessidade de estabelecer áreas prioritárias para as ações de gestão com base na ideia que não é possível implementar ações em grandes áreas, ao mesmo tempo e com a mesma eficiência, para obter bons resultados em todas elas. O Capítulo IV foca-se na faceta B e está orientado para a questão 3). Este capítulo estabelece uma relação espacialmente explícita entre o risco a que um habitat está sujeito e a vulnerabilidade dos seus ecossistemas num contexto de usufruto de SE, utilizando um modelo modificado da Análise de Risco de Habitats (HRA) da ferramenta InVEST. Os resultados mostraram que o modelo modificado apresenta uma maior concordância com a realidade, por comparação com um modelo não-modificado, sugerindo que terá utilidade em processos de tomada de decisão. Para a área de estudo, os habitats interditais, nomeadamente as pastagens marinhas, foram identificadas em risco devido ao incremento no nível do mar e ao enriquecimento do nitrogénio. Os resultados também indicaram que esses habitats são sensíveis as ações de manejo para reduzir sua exposição ao risco. Esta proposta fornece um complemento útil para ser adicionado aos documentos de gestão que recomendam a adoção de ações preventivas para proteger areas potencialmente vulneráveis. O Capítulo V discute a necessidade de apresentar e usar a informação para criar consenso nas definições operativas, promover a legitimação de objetivos partilhados e priorizar ações para evitar o risco de perder SE, considerando a dinâmica e os contextos dos SE e uma estratégia de comunicação amigável que assegure a participação de todos os atores socias na concretização dos objetivos definidos. Na discussão, esta tese sugere formas para introduzir os SE nas decisões ao longo de passos compreensíveis e replicáveis, nomeadamente em escalas locais com escassa informação. Em resumo, este estudo focou sua atenção na importância da informação para descrever a heterogeneidade espacial que torna possível reconhecer o potencial dos ecossistemas para satisfazer a demanda humana de serviços e para melhorar a compreensão e gestão dos SE através de diferentes escalas. Da mesma forma, enfatiza a importância da existência de estruturas conceituais e metodológicas para fornecer estrutura ao mundo real, destacando importantes formas de avaliar os SE e maneiras de comunicar os resultados da comunidade científica aos formuladores de políticas e profissionais.