Evaluación de los efectos del cambio climático sobre los ecosistemas litorales
- Autores: Camino Fernández de la Hoz
- Directores de la Tesis: Araceli Puente Trueba (dir. tes.), José Antonio Juanes de la Peña (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Cantabria ( España ) en 2019
- Idioma: español
- Títulos paralelos:
- Assessment of the effects of climate change on littoral ecosystems
- Tribunal Calificador de la Tesis: Raúl Medina Santamaría (presid.), María del Brezo Martinez Diaz Caneja (secret.), Tasman Crowe (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería de Costas, Hidrobiología y Gestión de Sistemas Acuáticos por la Universidad de Cantabria
- Materias:
- Enlaces
- Resumen
- español
El objetivo de esta tesis es evaluar los efectos del cambio climático en la distribución de macroalgas en Europa. Para ello, en primer lugar, se desarrolló una base de datos de variables ambientales con sentido ecológico, tanto para el periodo histórico como en escenarios de cambio climático (OCLE, http://ocle.ihcantabria.com). Los datos se recopilaron de fuentes con series temporales homogéneas y largas (1985-2015 y 2015-2099) para 16 variables relevantes en la distribución de macroalgas. Posteriormente se seleccionaron cinco especies representativas en Europa: Saccorhiza polyschides, Gelidium spinosum, Sargassum muticum, Pelvetia canaliculata y Cystoseira baccata. Su riesgo frente al cambio climático se evaluó mediante modelos de distribución de especies. Para reducir su incertidumbre en las proyecciones temporales, se desarrolló una metodología para seleccionar los algoritmos más transferibles en el tiempo, que se aplicó a los escenarios RCP 4.5 y 8.5 para el medio (2040-2069) y el largo plazo (2070-2099). Los resultados contribuyen a la mejora del conocimiento de la relación entre la ecología de las macroalgas y los factores ambientales, por un lado, y provee de herramientas a gestores e investigadores por el otro, para la construcción de modelos robustos con una metodología objetiva, reproducible, eficiente y aplicable a nivel mundial.
- English
The general objective of this thesis is to assess the effects of climate change on macroalgae distribution in Europe. To reach this goal it was necessary the definition of the different elements of risk: hazards, exposure and vulnerability. Bearing this in mind, it was tried to provide an assessment of key macroalgae in European seas, through the development of tools and methodologies useful for marine researchers.
First, an ecologically-driven database of present and future drivers for marine life in Europe, the Open access database on Climate change effects on Littoral and oceanic Ecosystems (OCLE), was developed. Data were gathered for homogeneous and long time series (1985-2015 and 2015-2099) for 16 variables (sea surface temperature, significant wave height, bathymetry, light attenuation coefficient, substrate, nitrate, salinity, air temperature, pH, wind speed, tidal range, sea level, radiation, bottom shear stress, bottom orbital speed and currents). A quality control was applied to ensure the accuracy of data and the selection of the best general circulation models for two climate change scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5). For each variable, 10 statistical parameters were calculated (maximum, minimum, mean, standard deviation, range and percentiles 10, 25, 50, 75 and 90). These indicators were calculated over different time scales: full period, year, five years, seasons and months. Data are freely available at http://ocle.ihcantabria.com.
Once the predictors were defined, it was necessary the selection of species to work with. A set of 21 characteristics species for European ecosystems were initially considered from global databases, field campaigns, own published data and collection of an important amount of valuable unpublished data. At present, macroalgae data is available along north and northwest Iberian Peninsula in OCLE website (http://ocle.ihcantabria.com). In order to optimise the analysis of such information they were grouped according to their ecological requirements through a self-organizing maps analysis. As a result, five groups were defined characterized by the species Saccorhiza polyschides, Gelidium spinosum, Sargassum muticum, Pelvetia canaliculata and Cystoseira baccata.
To assess the risk due to climate change, species distribution models were selected as an appropriate tool as they have been demonstrated to deal with climate change scenarios properly. However, this implies extrapolation to other time, thus the uncertainty is high. To reduce it, a step-wise methodology to select the most transferable algorithms in time in the marine environment was developed.
The methodology was applied to define the effects of climate change (RCPs 4.5 and 8.5 for the mid-term (2040-2069) and the long term (2070-2099)) on the five seaweeds species selected (Saccorhiza polyschides, Gelidium spinosum, Sargassum muticum, Pelvetia canaliculata and Cystoseira baccata). Models built demonstrated a very good goodness-of-fit and discrimination performance, therefore it can be inferred that the most endangered species would be Sacchoriza polyschides and Gelidium spinosum, meanwhile Sargassum muticum and Cystoseira baccata would be predicted to expand their range. Pelvetia canaliculata might decrease its probability of occurrence but it would be able to cope with changes.
According to the general objective of this thesis, results should be considered as a first step in the assessment of the magnitude of modelled range changes in seaweeds in Europe with different ecological requirements (from upper littoral to subtidal) and distributional patterns (native and invasive). The novelty of this work is the supply to marine researchers and managers with a complete pull of species physiological thresholds by the inclusion of hydrodynamic variables and extreme parameters, whose importance in species distributions has been demonstrated. Therefore, it helps to fill the gap in knowledge between seaweeds ecology and environmental drivers on the one-hand and between science and managers on the other, by paying particular attention to building robust models with objective, reproducible, globally applicable and efficient methodology.
RESUMEN EVALUACIÓN DE LOS EFECTOS DEL CAMBIO CLIMÁTICO SOBRE LOS ECOSISTEMAS LITORALES El objetivo general de esta tesis es evaluar los efectos del cambio climático en la distribución de macroalgas en Europa. Para alcanzarlo se definieron los diferentes elementos de riesgo: peligro, exposición y vulnerabilidad. Con base en estos conceptos se desarrollaron herramientas y metodologías útiles para los investigadores marinos para llevar a cabo la evaluación de macroalgas en los mares europeos.
Primero, se desarrolló una base de datos de variables ambientales con sentido ecológico, tanto para el periodo histórico como en escenarios de cambio climático (OCLE). Los datos se recopilaron de fuentes con series temporales homogéneas y largas (1985-2015 y 2015-2099) para 16 variables (temperatura de la superficie del mar, altura de ola significante, batimetría, coeficiente de atenuación de la luz, sustrato, nitrato, salinidad, temperatura del aire, pH, velocidad del viento, rango de marea, nivel del mar, radiación, tensión de arrastre en el fondo, velocidad orbital del fondo y corrientes). Se aplicó un control de calidad para garantizar la precisión de los datos y la selección de los mejores modelos de circulación general para dos escenarios de cambio climático (RCP 4.5 y RCP 8.5). Para cada variable, se calcularon 10 parámetros (máximo, mínimo, media, desviación estándar, rango y percentiles 10, 25, 50, 75 y 90). Estos indicadores se calcularon para todo el periodo, anualmente, quinquenalmente, estacionalmente y mensualmente. Los datos están disponibles gratuitamente en http://ocle.ihcantabria.com.
Una vez que se definieron los predictores, se seleccionaron las especies objeto de estudio. Se consideraron 21 especies características de los ecosistemas marinos europeos, cuyas presencias se recopilaron de bases de datos globales, campañas de campo, datos publicados propios y datos no publicados. Los datos de macroalgas a lo largo del norte y noroeste de la Península Ibérica están disponibles en la web de OCLE (http://ocle.ihcantabria.com). Para optimizar el análisis de dicha información, las 21 especies agruparon de acuerdo con sus requisitos ecológicos mediante un análisis de mapas autoorganizados. Como resultado, se definieron cinco grupos caracterizados por las especies Saccorhiza polyschides, Gelidium spinosum, Sargassum muticum, Pelvetia canaliculata y Cystoseira baccata.
Para evaluar su riesgo debido al cambio climático, los modelos de distribución de especies se seleccionaron como una herramienta adecuada, dados los buenos resultados que han mostrado en otros estudios. Sin embargo, su proyección a escenarios de cambio climático implica una extrapolación con una alta incertidumbre. Para reducirla, se desarrolló una metodología para seleccionar los algoritmos más transferibles en el tiempo en el entorno marino.
La metodología se aplicó para definir los efectos del cambio climático (RCPs 4.5 y 8.5 para el mediano plazo (2040-2069) y el largo plazo (2070-2099)) de las cinco especies de algas seleccionadas (Saccorhiza polyschides, Gelidium spinosum, Sargassum muticum, Pelvetia canaliculata y Cystoseira baccata). Los modelos demostraron muy buena bondad de ajuste y capacidad de discriminación, por lo tanto, de los resultados obtenidos se puede inferir que las especies más amenazadas serían Sacchoriza polyschides y Gelidium spinosum, mientras que Sargassum muticum y Cystoseira baccata podrían ampliar su rango. Pelvetia canaliculata podría disminuir su probabilidad de ocurrencia, pero conservará sus puntos de presencia, por lo que parece que será capaz de hacer frente a los cambios.
De acuerdo con el objetivo general de esta tesis, los resultados deben considerarse como un primer paso en la evaluación de la magnitud de los cambios que debido al cambio climático experimentarán las macroalgas en Europa, con diferentes requisitos ecológicos (desde el litoral superior al submareal) y patrones de distribución (nativas e invasoras). La novedad de este trabajo es la generación de una biblioteca de umbrales fisiológicos de las especies consideradas, en las que se incluyen variables hidrodinámicas y parámetros extremos, cuya importancia en la distribución de las especies está ampliamente demostrada pero habitualmente no son consideradas en los modelos. Por lo tanto, esta tesis contribuye a la mejora del conocimiento de la relación entre la ecología de las macroalgas y los factores ambientales por un lado, y provee de herramientas a los gestores e investigadores por el otro, para la construcción de modelos robustos con una metodología objetiva, reproducible, eficiente y aplicable a nivel mundial.
- español
