Intertidal seagrass modelling in a mesotidal coastal lagoon

Abstract

Seagrass meadows are important habitats of marine plants, adapted to the colonization of coastal and estuarine environments, which provide important functions within the ecosystem. The remarkable decline of seagrass meadows at regional/local (Ria de Aveiro) and global scales has presented however negative implications for the sustainability of the ecosystems where they follow this trend. In this context, the main objective of this work was to improve the present knowledge about seagrass dynamics in the Ria de Aveiro, from a multidisciplinary viewpoint (experimental data collection and treatment and numerical modelling), as well as to anticipate potential changes at the system level in these communities. Therefore, it is intended to contribute to the promotion of adequate management and conservation strategies to minimize its decline and enhance its recovery. From the application of a conceptual DSPIR framework (Drivers-Pressures-State-Impacts- Responses), the results pointed that gradual changes in hydrodynamic characteristics are the basis of the local decline of these communities, presently colonized by monospecific intertidal meadows of Zostera noltei. The scarce availability of seagrass models is even more prominent when dealing with intertidal communities, subject to alternating periods of exposure to air and submergence. As so, the inherent peculiarities of intertidal seagrass Z. noltei communities were investigated, showing a greater influence of the sedimentary characteristics on the relative water content of the plant, rather than the air exposure time. Afterwards, it was developed a seagrass biological model together with a desiccation model of the plant, in order to suppress the previously identified gap, both of which were later coupled to the water quality model (Delft3D-WAQ). The numerical model was calibrated using experimental data collected in the study area (Mira Channel), showing a reliable reproduction of the state variables described by means of above and belowground biomass. However, the present set up needs to be improved, namely in what regards sedimentplant interface and internal nutrient dynamics, before it can be applied to other systems with similar challenges. The performance of the numerical model was analysed through different methodologies that presented divergent results, which suggests the application of further approaches for a robust conclusion. A sensitivity analysis was computed, showing that the parameters used to describe the dependence of the ambient temperature (water and air) are the most sensitive, suggesting that these should be particularly addressed in future experimental surveys, by increasing the frequency of the in situ measurements. Two exploratory simulations of extreme event, extreme river flow and heat-wave, respectively showed a decrease in the favourable conditions for seagrass presence, according to the water velocity and salinity; and clear negative impacts on seagrass growth. Following a prospective viewpoint, different evolutionary scenarios to the future, resulting from the foreseen climate change, were set according to the more and less pessimistic projection (RCP 4.5 and RCP 8.5). The numerical model projections pointed out for a noticeable loss of colonised areas by seagrass (between around 30 and 70%, respectively) compared to the present situation. The multiple stressors analysed generally showed a synergistic effect on the loss of the relative area of seagrass, compared to the isolated sum of each of the factors, which highlights the complex and intrinsic relations established between them. The areas colonized by seagrass meadows that showed greater resilience, to the two simulated climate change scenarios, are located in the south and northwest areas of the central lagoon. The spatial distribution of the anomalies between the reference and the climate change scenarios, showed no uniform pattern of variation, occurring areas with descreased favourable conditions for seagrass presence, but also some areas that verified an improvement of these conditions. For a more effective and holistic approach to the natural evolution and modelling of these systems, a wider spatial and temporal coverage of biotic and abiotic descriptors of these communities should be performed. Moreover, the overview of the ongoing and forthcoming anthropogenic actions must also be included, in the context of the socio-economic development of the region, as well as the framework of the future scenarios in the scope of climate change (temporal scale referred to the end of the century). As so, the management actions can be implemented to promote the resilience of these habitats and assure the services provided by the ecosystem.

As pradarias marinhas constituem importantes habitats de plantas superiores, adaptadas à colonização de ambientes costeiros e estuarinos, que desempenham importantes funções nestes ecossistemas. O seu declínio acentuado verificado a escalas regionais/locais (Ria de Aveiro) e globais tem, no entanto, apresentado implicações nefastas para a sustentabilidade dos ecossistemas onde estão inseridas. Neste contexto, o objectivo principal deste trabalho consistiu em aprofundar o conhecimento presente da dinâmica das pradarias marinhas na Ria de Aveiro, sob o ponto de vista multidisciplinar (colheita e tratamento de dados experimentais e modelação numérica), bem como prever as potenciais alterações ao nível do sistema nestas comunidades. Desta forma, pretende-se contribuir para a promoção de estratégias de conservação adequadas para minimizar o seu declínio e potenciar a sua recuperação. Partindo da aplicação de um modelo conceptual DPSIR (Drivers-Pressures- State-Impacts-Responses), concluiu-se que as alterações graduais nas características hidrodinâmicas estão na base do declínio local destas comunidades, presentemente colonizadas por pradarias monoespecíficas intertidais de Zostera noltei. A escassez de modelos numéricos de pradaria é acentuada, sendo ainda mais proeminente quando se tratam de comunidades intertidais, sujeitas a períodos alternados de exposição ao ar e submersão. Desta forma, as particularidades inerentes às comunidades de pradarias intertidais foram investigadas, mostrando maior influência das características sedimentares no teor relativo de água da planta, em detrimento do tempo de exposição ao ar. Posteriormente, foi desenvolvido um modelo biológico de pradaria, juntamente com um modelo de dessecação da planta, com vista a suprimir a lacuna previamente identificada, sendo ambos posteriormente acoplados ao modelo de qualidade da água (Delft3D-WAQ). Utilizando os dados experimentais colhidos na área de estudo (Canal de Mira) calibrou-se o modelo numérico, tendo-se verificado uma reprodução fiável das variáveis-estado descritas pela biomassa aérea e subterrânea. Porém, a presente configuração requer melhorias adicionais, nomeadamente no que respeita à interface sedimento-planta e dinâmica interna de nutrientes, previamente a ser passível de ser aplicado a outros sistemas com desafios semelhantes. O desempenho do modelo numérico foi analisado por diferentes metodologias que apresentaram resultados divergentes, o que sugere a necessidade de desenvolvimento e aplicação de metodologias adicionais para uma conclusão robusta. Foi realizada uma análise de sensibilidade, que permitiu aferir que os parâmetros usados para descrever a dependência da temperatura ambiente (água e ar) são os mais sensíveis. Deste modo, salienta-se a sua potencial importância e sugere-se a sua consideração em planeamentos experimentais futuros com maior frequência de amostragem nas medições in situ. Numa abordagem exploratória, simularam-se dois eventos extremos, caudal fluvial extremo e onda de calor, tendo os resultados apresentado, respectivamente, uma diminuição das condições favoráveis para a presença de pradarias em termos de velocidade da corrente e salinidade, e um claro decréscimo no crescimento da planta. Seguindo uma abordagem prospectiva, estabeleceram-se diferentes cenários evolutivos para o futuro, resultantes das expectáveis alterações climáticas, de acordo com a projecção mais e menos pessimista (RCP 4.5 e RCP 8.5). As previsões numéricas obtidas indicam uma perda acentuada de áreas colonizadas por pradarias marinhas (entre aproximadamente 30 e 70%, respectivamente) comparativamente à situação presente. As áreas colonizadas por pradarias que mostraram uma maior resiliência, nos dois cenários de alterações climáticas, situam-se na zona sul e noroeste da laguna central. Na análise espacial da anomalia entre o cenário de referência e de alterações climáticas, não se verificou um padrão uniforme, havendo áreas que apresentam um decréscimo nas condições favoráveis para a presença de pradarias marinhas, simultaneamente à ocorrência de áreas que apontam para um melhoramento das mesmas condições. Para uma abordagem mais efectiva e holística da evolução natural e modelação destes sistemas, deve considerar-se uma maior cobertura espacial e temporal dos descritores bióticos e abióticos destas comunidades. Deve ser ainda incluído o levantamento das actividades antropogénicas decorrentes e previstas no contexto do desenvolvimento socio-económico da região (escala temporal até meio do século), e ainda, deve ser feito o enquadramento nos cenários futuros no contexto das alterações climáticas (escala temporal até final do século), para que medidas de gestão possam ser implementadas no sentido de promover a resiliência destes habitats, de forma a garantir os serviços prestados.