Modeling the dynamics of zooplankton in the Ria de Aveiro

Abstract

O zooplâncton, composto maioritariamente por copépodes em diferentes estágios de desenvolvimento, é uma das principais comunidades biológicas da teia trófica estuarina. Esta comunidade é responsável pela transferência de nutrientes e de energia para níveis tróficos superiores, sendo o principal alimento para larvas de peixes, e pode também desempenhar um papel relevante no controlo de blooms de algas. Assim, a compreensão dos factores que afectam a dinâmica do zooplâncton nos estuários é de especial importância, constituindo os modelos numéricos, devidamente validados com dados, ferramentas úteis no estudo desta dinâmica. No presente estudo desenvolveu-se um novo modelo para simular a dinâmica ecológica da Ria de Aveiro. Este modelo tridimensional, ECO-SELFE, resulta do acoplamento de um modelo hidrodinâmico de malhas não-estruturadas, SELFE, e da extensão do modelo ecológico EcoSim 2.0 para simular a dinâmica do zooplâncton. O modelo acoplado, de aplicação genérica a qualquer sistema estuarino e costeiro, permite a simulação de várias variáveis ecológicas (zooplâncton, fitoplâncton, bacterioplâncton, matéria orgânica dissolvida e particulada, nutrientes inorgânicos e carbono inorgânico dissolvido), considerando os ciclos do carbono, do azoto, do fósforo, da sílica e do ferro. A formulação adoptada para a simulação da dinâmica do zooplâncton baseia-se em resultados de trabalhos de investigação realizados na Ria de Aveiro. Os testes sintéticos realizados preliminarmente evidenciaram o bom desempenho do modelo acoplado em termos de conservação de massa e permitiram reproduzir de forma adequada a dinâmica zooplâncton-fitoplâncton num sistema fechado. Dado que uma das principais dificuldades na aplicação de modelos ecológicos complexos a sistemas reais consiste no elevado número de parâmetros de entrada, realizou-se uma análise de sensibilidade à influência destes parâmetros nos resultados finais do modelo. Esta análise evidenciou que os parâmetros relativos ao crescimento do fitoplâncton dependente da temperatura, à ingestão de alimento pelo zooplâncton e às taxas de mortalidade e de excreção do zooplâncton são dos que mais influenciam os resultados do modelo. A aplicação do modelo à Ria de Aveiro, considerando um total de 23 traçadores ecológicos, revelou que o modelo representa de forma razoável a dinâmica ecológica ao longo da Ria durante os períodos simulados (Outono de 2000 e Primavera de 2001), para além de reproduzir adequadamente a hidrodinâmica e o transporte de escalares neste sistema. Uma análise preliminar da dinâmica deste ecossistema sugere a importância da especificação adequada das condições de fronteira e da parametrizações dos processos nas simulações ecológicas, evidenciando também a complexidade associada à sua dinâmica.

ABSTRACT: Zooplankton, composed mostly by copepods in several stages of development, is one of the most important biological communities in the estuarine food web. This community is responsible from the transfer of nutrients and energy to the upper throphic levels, being the main food for fish larvae, and can have an important role in the control of algal blooms. Thus, understanding the factors that affect the distribution of estuarine zooplankton is relevant in terms of estuarine management. Numerical models, properly validated with data, are useful tools for both science and management. In order to simulate the ecological dynamics in the Ria de Aveiro, a new model was developed. This 3D model, ECO-SELFE, results from the coupling between the unstructured grid, hydrodynamic model SELFE and the ecological model EcoSim 2.0, extended herein to simulate the zooplankton dynamics. The coupled model, which can be applied to any estuarine or coastal system, allows the simulation of several ecological tracers (zooplankton, phytoplankton, bacterioplankton, dissolved and fecal organic matter, inorganic nutrients and dissolved inorganic carbon), and includes the carbon, nitrogen, phosphorous, silica and iron cycles. The formulation used for the simulation of the zooplankton is based on the results of previous research studies performed in the Ria de Aveiro. Synthetic testes performed preliminarily revealed the good behaviour of the coupled model in terms of mass conservation and in the simulation of the phytoplankton-zooplankton dynamics in a closed system. One of the major difficulties related to the application of complex ecological models to real systems is the large number of input parameters needed. Therefore a sensitivity analysis was performed to study the influence of the input parameters in the final results of the model. Some of the parameters that influence the results more significantly are the ones related to the phytoplankton temperature-dependent growth, to the zooplankton’s food ingestion and to the zooplankton’s mortality and excretion rates. The application of the coupled model to the Ria de Aviro, with a total of 23 ecological tracers, showed that the model represents reasonably well the water and th ecological dynamics in the Ria for the simulated periods (Autumn 2000 and Spring 2001). A preliminary analysis, based on the model simulations and data, suggests the need to use accurate boundary conditions and adequate parameterization of the ecological model input parameters. It also evidences the complexity associated with the Ria de Aveiro ecological dynamics.