Assessment of the seascape suitability along the Iberian Atlantic margin for species exploited by fisheries

Abstract

One of the most remarkable effects of climate change in marine realm is the shift in the distribution of species. On the other hand, marine ecosystems are also being modified by commercial fisheries (e.g., decline of species with low reproductive rates, alterations in population size structure, habitat loss and decreased habitat quality). Fisheries combined with climate change may cause the redistribution of marine species commercially exploited by fisheries and these changes can cause considerable socio-economic impacts. Therefore, it is crucial to anticipate these changes aiming a sustainable management of marine living resources and food security. The European hake (Merluccius merluccius) is a demersal species while the horse mackerel (Trachurus trachurus) is a pelagic-neritic species, and both are among the most important species commercially exploited in the Northeast Atlantic. In this work, I estimated the habitat suitability along the Iberian Atlantic waters for the European hake and horse mackerel using an ensemble ecological niche model (ENM) approach. Three machine-learning algorithms (Generalized Boosting Model, Random Forest, Maximum Entropy) were selected to estimate the habitat suitability and related uncertainty maps. The predictions of habitat suitability were made for present ocean conditions (2002-2014) and then projected to future scenarios of climate change (RCP 2.6 and 8.5) for the years of 2050 and 2100. The models were fitted using both oceanographic variables (temperature, salinity, and current velocity) and physiographic variables (bathymetry, bathymetric slope, and sea bottom curvature). The variables that most contribute to the model’s predictions were bathymetry, bottom temperature, and salinity for the European hake and bathymetry and salinity for the horse mackerel. Both the ensemble and single models showed high predictive performance, with the ensemble model estimates consistently performing better than the single models. According to the model for the European hake, the most suitable areas were predicted along the continental shelf, especially along the outer edge while the most unsuitable conditions were found in areas off the continental shelf. Moreover, the ENM predicted a decrease on the habitat suitability comparatively to the present conditions for future scenarios of climate change, mainly in the northern and western Iberian Peninsula whilst in the southern areas the habitat suitability is likely to remain constant. These predictions showed high reliability between single models for the most suitable and most unsuitable areas as well as a low uncertainty. For the horse mackerel the most suitable habitat areas were also predicted for the continental shelf and the most unsuitable areas were predicted in offshore area. The projections for the habitat suitability according to future ocean conditions estimated a slightly to moderate increase in the habitat suitability for areas currently offering low habitat suitability for the species. Notwithstanding, these projections were subjected to moderate to high uncertainty. On the other hand, the ensemble prediction for the areas of higher habitat suitability for horse mackerel show low uncertainty. This study brings new insights to the potential impact of climate change in distribution of two economically important species. It is important to be aware that climate change and anthropogenic activities, such as fisheries, will continue to co-exist, putting pressure on the stocks of diverse fish species. Changes in the potential distribution of species may require new management measures for the fishing sector, such as the redefinition of fish stocks and fishing effort. This study provides relevant and spatial explicitly information that may contribute for the development of effective conservative and management measures.

Um dos efeitos mais notáveis das alterações climáticas no ambiente marinho é a mudança na distribuição das espécies. Por outro lado, os ecossistemas marinhos estão também a ser modificados pela pesca comercial (por exemplo, o declínio de espécies com baixas taxas de reprodução, alterações na estrutura da população, perda de e diminuição da qualidade do habitat). A pesca combinada com as alterações climáticas pode causar a redistribuição de espécies marinhas comercialmente exploradas, sendo que estas alterações podem causar impactos socioeconómicos consideráveis. Por conseguinte, é crucial antecipar estas mudanças visando uma gestão sustentável dos recursos marinhos vivos e a segurança alimentar. A pescada europeia (Merluccius merluccius) é uma espécie demersal enquanto o carapau (Trachurus trachurus) é uma espécie pelágico-nerítica, sendo que ambas são consideradas das mais exploradas comercialmente pelo setor pesqueiro no Atlântico Nordeste. Neste trabalho, foi estimada a adequabilidade do habitat ao longo das águas do Atlântico Ibérico para a pescada europeia e para o carapau, utilizando uma abordagem ensemble de modelo de nicho ecológico (ENM). Foram selecionados três algoritmos de machine-learning (Generalized Boosting Model, Random Forest, Maximum Entropy) para estimar a adequabilidade do habitat e mapas de incerteza relacionados. As previsões de adequabilidade do habitat foram feitas para as atuais condições oceânicas (2002-2014) e depois projetadas para cenários futuros de alterações climáticas (RCP 2.6 e 8.5) para os anos de 2050 e 2100. Os modelos foram ajustados usando tanto variáveis oceanográficas (temperatura, salinidade, e velocidade da corrente) como variáveis fisiográficas (batimetria, inclinação batimétrica, e curvatura do fundo do mar). As variáveis que mais contribuíram para as previsões do modelo foram a batimetria, temperatura do fundo e salinidade para a pescada europeia e a batimetria e salinidade para o carapau. Tanto o ensemble como os modelos individuais mostraram um desempenho preditivo elevado, com as estimativas do modelo de ensemble a apresentarem um desempenho consistentemente melhor do que os modelos individuais. De acordo com o modelo para a pescada europeia, as áreas mais adequadas foram previstas ao longo da plataforma continental, especialmente ao longo do limite da plataforma continental, enquanto as condições menos adequadas foram encontradas em áreas fora da plataforma continental. Além disso, o ENM previu uma diminuição da adequabilidade do habitat comparativamente às condições atuais para cenários futuros de alterações climáticas, principalmente no norte e oeste da Península Ibérica, enquanto nas áreas do sul a adequação do habitat estima-se que se mantenha constante. Estas previsões mostraram uma elevada confiança entre modelos únicos para as áreas mais adequadas e mais inapropriadas, correspondendo a uma baixa incerteza. Para o carapau, as áreas de habitat mais adequadas foram também previstas para a plataforma continental e as áreas menos adequadas foram previstas na zona offshore. As projeções para a adequação do habitat de acordo com as futuras condições oceânicas estimaram um ligeiro a moderado aumento na adequabilidade do habitat para áreas que atualmente oferecem uma baixa adequabilidade do habitat para a espécie. Não obstante, estas projeções foram sujeitas a uma incerteza moderada a elevada. Por outro lado, a previsão do ensemble para as áreas de maior adequabilidade de habitat para o carapau, mostra uma baixa incerteza. Este estudo traz novos conhecimentos sobre o impacto potencial das alterações climáticas na distribuição de duas espécies economicamente importantes. É importante estar ciente de que as alterações climáticas e as atividades antropogénicas, tais como a pesca, continuarão a coexistir, exercendo pressão sobre os stocks de diversas espécies de peixes. As alterações na distribuição potencial das espécies podem exigir novas medidas de gestão para o sector das pescas, tais como a redefinição dos stocks de peixe e do esforço de pesca. Este estudo fornece informação relevante e espacialmente explícita que pode contribuir para o desenvolvimento de medidas eficazes de conservação e gestão.