Climate change impact on estuarine aquaculture activity along the Portuguese coast

Abstract

Global aquaculture production has been growing massively during the last decades. In Portugal, 95% of the aquaculture farms are located in estuaries and coastal lagoons. These regions are highly productive and nutrient-rich, which favors the growth and productivity of aquatic species. However, these coastal transition zones are among the most jeopardized by anthropogenic pressures and climate change. Therefore, aquaculture is one of the most prosperous but also challenging industries for the future. Estuarine systems are regions with a high exploitation capacity, which, duly studied, will allow the identification of new and/or the best areas for aquaculture. Numerical models are able to reproduce natural conditions with good precision, generating maps of the physical and biochemical conditions necessary for the exploitation of aquatic species and, consequently, for the identification of high-potential areas for aquaculture under current and future conditions. Thus, the main objective of this thesis is to assess the potential impact of climate change on estuarine aquaculture along the continental Portuguese coast. To achieve this, numerical models using the Delft3D model suite were developed for three estuarine systems (Minho Estuary, Sado Estuary and Ria Formosa), and a Suitability Index (SI) was computed to integrate and convert the numerical model results into aquaculture suitability maps for two bivalve species (Groover Carpet Shell (Ruditapes decussatus) and Portuguese Oyster (Magallana angulata)), and one species of fish (European Seabass (Dicentrarchus labrax)), considering the environmental conditions favorable to their development. The SI was estimated for the historical (1995–2014) and future (2081–2100) periods. In addition, the combined impacts of climate change and increased shellfish production in the Sado estuary and Ria Formosa were also analyzed. In this context, it was necessary to establish ocean boundaries with historical and future physical and biogeochemical conditions. These boundaries were obtained from the Earth System Model (ESM) projections of the Coupled Model Intercomparison Project (CMIP). Thus, in order to choose the best model to apply to the oceanic boundary conditions, the historical performance of the ESMs in simulating physical and biochemical processes along the continental Portuguese coast was evaluated. The evaluation was carried out through the score SR, used to quantify the accuracy of the ESMs hindcasts for six variables (water temperature, salinity, chlorophyll-a (Chl-a), dissolved oxygen (DO), nitrate (NO3), and phosphate (PO4)). The hydrodynamic, transport, and water quality models developed effectively reproduced tidal propagation and salt and heat transport. However, for water quality processes, the models were less accurate, due to the greater complexity and challenges associated with modeling biochemical processes. Nevertheless, the models were able to adequately capture horizontal and vertical processes and were therefore used to assess the impacts of climate change on local physico-chemical dynamics and processes. Based on the results of the score SR, the Max Planck Institute (MPI) model is the best choice, and the results of this model were used as boundary conditions in the historical (1995–2014) and future (2081–2100) simulations for the three systems under study. Results suggest that climate change may have similar impacts on water properties in the three estuarine systems. The results also indicate that negative impacts will intensify with the increase in bivalve production, jeopardizing their development and modifying the aquaculture suitability of each estuarine system. In all three systems, the environmental factors for the historical scenarios were less favorable to aquaculture in winter, and more favorable in spring and summer. The results suggest that water temperature, salinity, and Chl-a concentration are the main variables affecting this outcome. For future conditions, models predict that climate change may improve the aquaculture suitability of the Minho and Sado estuaries in winter, but not of the Ria Formosa. The size of the most suitable areas for aquaculture in each system should remain unchanged in the future. In summary, this thesis has made a significant contribution to the aquaculture sector, providing new and valuable information on the suitability of estuarine systems for this activity, both under historical and future conditions. This thesis has also demonstrated the potential of using numerical tools in this type of assessment.

A produção aquícola mundial tem vindo a crescer massivamente nas últimas décadas. Em Portugal, 95% das explorações aquícolas estão localizadas em estuários e lagunas costeiras. Estas regiões são altamente produtivas e ricas em nutrientes, o que favorece o crescimento e a produtividade de espécies aquáticas. No entanto, estas zonas de transição costeira estão entre as áreas mais ameaçadas pelas pressões antropogénicas e pelas alterações climáticas. Portanto, a aquacultura é um dos sectores mais prósperos, mas também mais desafiantes para o futuro. Os sistemas estuarinos são regiões com uma elevada capacidade de exploração, que devidamente estudadas permitirão identificar novas e/ou as melhores áreas para explorações aquícolas. Os modelos numéricos permitem a reprodução das condições naturais com boa precisão, gerando mapas das condições físicas e bioquímicas necessárias para a exploração de espécies aquáticas, e, consequentemente, para a identificação de áreas de elevado potencial para a aquacultura sob condições actuais e futuras. Assim, o principal objetivo desta tese é avaliar o potencial impacto das alterações climáticas na aquacultura estuarina ao longo da costa continental Portuguesa. Neste sentido, foram desenvolvidos modelos numéricos utilizando o modelo Delft3D para três sistemas estuarinos (Estuário do Minho, Estuário do Sado e Ria Formosa) e foi calculado um Índice de Adequabilidade (SI) para integrar e converter os resultados dos modelos numéricos em mapas de viabilidade aquícola para duas espécies de bivalves (amêijoa-boa (Ruditapes decussatus) e ostra portuguesa (Magallana angulata)), e uma espécie de peixe (robalo (Dicentrarchus labrax)), considerando as condições ambientais favoráveis ao seu desenvolvimento. O índice SI foi calculado para os períodos histórico (1995–2014) e futuro (2081–2100). Adicionalmente, foi também efectuada a análise dos impactos combinados das alterações climáticas e do aumento da produção de bivalves no estuário do Sado e na Ria Formosa. Neste contexto, foi necessário definir fronteiras oceânicas com condições físicas e biogeoquímicas históricas e futuras. Estas fronteiras foram obtidas a partir das projecções dos Modelos do Sistema Terrestre (ESM) do Projeto de Intercomparação de Modelos Acoplados (CMIP). Assim, com o objetivo de escolher o melhor modelo para aplicar nas condições de fronteira do oceano, foi avaliado o desempenho histórico dos ESMs na simulação de processos físicos e bioquímicos ao longo da costa continental Portuguesa. A avaliação foi realizada através do score SR, utilizado para quantificar a precisão da previsão retrospectiva dos ESMs para seis variáveis (temperatura da água, salinidade, clorofila-a (Chl-a), oxigénio dissolvido (DO), nitrato (NO3), e fosfato (PO4)). Os modelos hidrodinâmicos, de transporte, e de qualidade da água desenvolvidos reproduziram eficazmente a propagação da maré e o transporte de sal e calor. No entanto, ao simular os processos de qualidade da água, os modelos mostraram menor precisão, devido à maior complexidade e aos desafios associados à modelação dos processos bioquímicos. Não obstante, os modelos foram capazes de captar adequadamente os processos horizontais e verticais, tendo sendo por isso utilizados para avaliar os impactos das alterações climáticas na dinâmica e nos processos físico-químicos locais. Com base nos resultados do score SR, o modelo do Instituto Max Planck (MPI) é a melhor escolha, sendo os resultados deste modelo utilizados como condições de fronteira nas simulações históricas (1995–2014) e futuras (2081–2100) para os três sistemas em estudo. Os resultados sugerem que as alterações climáticas podem ter impactos semelhantes nas propriedades da água nos três sistemas estuarinos. Os resultados indicam também que impactos negativos se intensificarão com o aumento da produção de bivalves, comprometendo o seu desenvolvimento e modificando a adequabilidade para a aquacultura de cada sistema estuarino. Nos três sistemas, os factores ambientais para os cenários históricos foram menos favoráveis à aquacultura no inverno, mas mais favoráveis na primavera e no verão. Os resultados sugerem que a temperatura da água, a salinidade e a concentração de Chl-a são as principais variáveis que afectam este resultado. Para as condições futuras, os modelos prevêem que as alterações climáticas irão provavelmente melhorar a adequabilidade dos estuários do Minho e do Sado para a aquacultura no inverno, mas não a da Ria Formosa. As dimensões das áreas mais adequadas para a aquacultura em cada sistema deverão manter-se inalteradas no futuro. Em resumo, esta tese contribuiu significativamente para o sector da aquacultura, fornecendo informações novas e valiosas sobre a aptidão de sistemas estuarinos para esta atividade, tanto em condições históricas como futuras. Esta tese demonstrou também o potencial da utilização de ferramentas numéricas neste tipo de avaliação.