The Portuguese continental shelf habitats north of Nazaré canyon : characterization, modelling and mapping

Abstract

Benthic habitats are an important component of the marine realm, being this evident by the key role of their associated macrofauna on the marine food webs. Their characterization and mapping assume special relevance in marine ecosystem studies. The main aims of this work were to combine traditional sampling methods with an acoustic remote sensing technique and developing novel modelling approaches, to detail and characterize the benthic habitats and associated macrofauna in the section of the Portuguese continental shelf north of Nazaré canyon. Covering an area of approximately 7000Km2, baseline sediment data and depth were obtained in 226 grab samples, 169 of which were used to study the macrofauna. Also, acoustic transects were run for more than 2500Km. The point sediment data were exploited in two ways: i) using spatial interpolation with Empirical Bayesian Kriging, to produce maps of the sediment descriptors fines%, sand%, gravel% and kurtosis, and of the sediment types classified according to the MeshAtlantic-Folk system; ii) using univariate and multivariate statistical analysis, to relate the sediment data with the spatial distribution of the macrofauna. The acoustic data were collected using the acoustic ground discrimination system QTC VIEW series V, to be used as a surrogate for the environmental data in distribution modelling studies of the benthic macrofauna. Unfortunately, it was not possible to exploit the large amount of acoustic data obtained as it demonstrated to be contaminated by depth, invalidating its use to discriminate sediment types. Nevertheless, the bathymetry data collected with this system allowed to obtain an accurate bathymetric map of the study area, further used as part of the environmental variables layers. Using a wide range of univariate and multivariate data analysis methods, the spatial distribution of macrofauna indices and communities were studied. Distribution models relating the abundance, species richness (or alpha diversity) and Shannon-Wiener diversity with sedimentary parameters and depth were built, using diverse types of regression models. For each biologic index, the predictions from the most accurate model were compared with the predictions of the direct spatial interpolation of the biological data using geostatistical methods. Seven macrofauna communities were identified in the study area, and communities distribution models (CDM) were built, based on binomial regression models, studying the relation of the presence/absence of each community with respect to the environmental variables. Combining the CDM and the maps of the environmental variables, a map representing the distribution of the most probable benthic macrofauna communities was produced. This overall map was used to classify and map the distribution of level 5 EUNIS habitat types and to evaluate their environmental status in the scope of the Marine Strategy Framework Directive, by producing a Marine Biological Valuation map of such EUNIS habitats. The benthic maps produced in this work, either the environmental or the biological, are valuable tools suitable for a range of purposes in the context of the marine ecosystem management, such as monitoring, non-indigenous species control, spatial planning or climate change studies.

Os habitats bentónicos são um componente importantíssimo do ambiente marinho, sendo isto particularmente evidente devido ao papel determinante da macrofauna a si associada nas teias alimentares marinhas. A caracterização e mapeamento destes habitats assumem particular relevância no estudo dos ecossistemas marinhos. Este trabalho tinha como objetivos principais combinar métodos de amostragem tradicional e técnicas acústicas de deteção remota, desenvolvendo novas estratégias de modelação e mapeamento, para detalhar e caracterizar os habitats bentónicos e macrofauna associada na secção da plataforma continental portuguesa a norte do canhão da Nazaré. Abrangendo uma área de aproximadamente 7000Km2, foram obtidos dados sedimentares e de profundidade em 226 amostras coletadas com uma draga, 169 das quais foram utilizadas no estudo da macrofauna. Adicionalmente, mais de 2500Km de transectos acústicos foram adquiridos. Os dados sedimentares pontuais foram explorados de duas formas: i) usando interpolação espacial com “Empirical Bayesian Kriging”, na produção de mapas dos descritores sedimentares finos%, areia%, cascalho% e curtose, e dos sedimentos classificados de acordo com o sistema MeshAtlantic-Folk; ii) utilizando análises estatísticas univariadas e multivariadas, de modo a relacionar os dados sedimentares com a distribuição espacial da macrofauna. Os dados acústicos foram adquiridos com o sistema acústico de discriminação de fundos QTC VIEW série V, de forma a serem utilizados em modelos de distribuição de macrofauna bentónica, em substituição dos dados ambientais. Lamentavelmente, não foi possível explorar esta enorme quantidade de dados acústicos obtidos, visto que estes demonstraram estar contaminados pela profundidade, invalidando o seu uso na discriminação dos tipos sedimentares. No entanto, os dados de profundidade obtidos com este sistema permitiram a produção de um mapa batimétrico preciso da área de estudo, sendo utilizado posteriormente como parte dos mapas de variáveis ambientais. A utilização de diversos métodos de análise estatística univariada e multivariada permitiu o estudo da distribuição espacial de índices biológicos e das comunidades de macrofauna. Modelos de distribuição relacionando a abundância, riqueza específica (ou diversidade alfa) e o índice de diversidade de Shannon-Wiener com parâmetros sedimentares e a profundidade foram desenvolvidos, utilizando diversos tipos de modelos de regressão. Para cada índice biológico, as previsões do modelo mais preciso foram comparadas com as previsões da interpolação espacial realizada diretamente sobre os dados biológicos usando métodos geoestatísticos. Na área de estudo, foram identificadas sete comunidades, sendo desenvolvidos modelos de distribuição de comunidades (CDM, do inglês “communities distribution models”), baseados em modelos de regressão binomial, estudando a relação da presença/ausência de cada comunidade com as variáveis ambientais. Através da combinação dos CDM e dos mapas das variáveis ambientais, foi produzido um mapa que representa a distribuição da comunidade de macrofauna bentónica mais provável. Este mapa combinado foi utilizado na classificação e mapeamento da distribuição dos tipos de habitat EUNIS nível 5 e na avaliação do seu estado ambiental no âmbito da Diretiva Quadro Estratégia Marinha, através da produção de um mapa do valor biológico marinho de tais habitats EUNIS. Os mapas bentónicos produzidos nesta tese, tanto os ambientais como os biológicos, são importantes ferramentas adequadas a um conjunto de propósitos no contexto da gestão dos ecossistemas marinhos, como a monitorização, controlo de espécies não indígenas, ordenamento espacial e estudos das alterações climáticas.