Assessment of risks produced by extreme events on commercially important bivalves

Abstract

As it is well known, one of the predicted consequences of global climate change is a change on the frequency of occurrence of extreme events such as heat waves and torrential rains that are modifying the coastal salinities (IPCC 2012). Specifically, the regional climate projections in the Fifth Assessment Report by the IPCC and from the EURO-CORDEX downscaling project show that on the Atlantic coast of Europe there will be ‘very likely’ more frequent heat waves longer in duration and greater in intensity as well as increases in the intensity and frequency of extreme precipitation by 2099. Given their ecological and socioeconomic importance, coastal marine ecosystems, especially estuaries, are a major focus of concern because of the potential dramatic impacts of climate change on their structure and functioning. Acute fluctuations in salinity (S) and temperature (T) due to extreme events may have significant impacts on biogeochemical processes in water and sediments as well as on species’ physiological condition and metabolic function. Environmental stress may also drive episodes of mass mortality depending on the species, life cycle or spatio-temporal context. This is of special concern when the affected species support important fisheries with huge socioeconomic costs. In Galicia, the native clams Ruditapes decussatus (grooved carpet shell) and Venerupis corrugata (pullet carpet shell), the introduced R. philippinarum (Manila clam, japanese carpet shell) and the cocke Cerastoderma edule represented the last years almost of 80% of total bivalve landings and more than 85% of the value of the total bivalve landings. These populations are highly variable, depending on the estuary conditions (river runoff, sediment, exposure…) and the weather. Major drivers of variability are heat waves and fluctuations in S with increased river runoff from heavy rains resulting in higher mortalities. For example massive bivalve mortality episodes occurred in autumn-winter 2000-2001, and it prevented these resources from being exploited for 1 year. Especially rainy conditions in the winter of 2013-14 caused very severe mortality of carpet clams in Ría de Vigo, Ría de Arousa and Ría de Pontevedra. However, environmental stress not only provokes short-term mortality, but also it may have sub-lethal effects on individuals, reducing growth or physiological condition and reproductive output, increasing vulnerability to disease or predation, etc., with consequences for recruitment of juveniles and replenishment of shellfish beds. Because of increased exploitation of non-native species like R. philippinarum it is important to know how extreme events affect introduced species compared to native ones. Evidence in the literature and our ongoing experiments suggest that introduced species may be more resistant. In this thesis, extreme events will be related to meteorological processes so that predictive models can serve as an early warning tool for management of shellfish. These mechanistic predictions, incorporating physiological and ecological data from experiments in the laboratory and in the field, are beyond the traditional niche models and will be much likely to provide estimates of risk for extreme events more robust than other methods. The general hypothesis is that impacts of extreme events and climate change will be stronger for middle intertidal than lower intertidal species and in the inner part than in the outer part of rías; also the stress due to these events will be stronger in native species than in the introduced one.

Una de las consecuencias previsibles del cambio climático global es el cambio en la frecuencia de ocurrencia de eventos extremos como olas de calor y lluvias torrenciales que están cambiando la salinidad costera (IPCC, 2012). En concreto, las proyecciones climáticas regionales del Quinto Informe de Evaluación del IPCC y el proyecto EURO CORDEX son que en la costa atlántica de Europa, las olas de calor serán "más probablemente" más largas en duración y de mayor intensidad, así como una mayor intensidad y frecuencia de precipitaciones extremas para 2099. Dada su importancia ecológica y socioeconómica, los ecosistemas marinos costeros, especialmente los estuarios, son una fuente importante de preocupación por las posibles consecuencias dramáticas del cambio climático en su estructura y funcionamiento. Fuertes fluctuaciones en la salinidad (S) y la temperatura (T), debido a los fenómenos extremos pueden tener un impacto significativo en los procesos biogeoquímicos en agua y sedimentos, así como sobre el estado fisiológico de las especies y la función metabólica. El estrés ambiental puede inducir episodios de mortalidad masiva, dependiendo de la especie, el ciclo de vida o contexto espacio-temporal. Esto es de particular preocupación cuando las especies afectadas soportan importantes pesquerías con enormes beneficios socioeconómicos. En Galicia, las almejas nativas Ruditapes decussatus (almeja fina) y Venerupis corrugata (almeja babosa), la introducida (almeja japonesa) y el berberecho Cerastoderma edule representan, en los últimos años, casi el 80% de todas las descargas de bivalvos y más 85% del valor comercial total de los bivalvos. Estas poblaciones son muy variables, dependiendo de las condiciones de cada banco marisquero (desembocaduras de los ríos, sedimentos, exposición...) y del clima. Los factores principales son la variabilidad de las olas de calor y las fluctuaciones en la salinidad causada por el aumento de las descargas de los ríos por las lluvias, lo que resulta en mayores tasas de mortalidad. Por ejemplo, un episodio de mortalidad masiva de los bivalvos se produjo en el otoño-invierno 2000-2001, e impidió que estos recursos fuesen explotados durante un año. Condiciones de pluviosidad inusuales en el invierno de 2013-14 provocaron mortalidad muy grave de la almeja fina en la ría de Vigo, la ría de Arousa y Pontevedra. Sin embargo, el estrés ambiental no sólo causa mortalidad a corto plazo, sino que también puede tener efectos sub-letales sobre los individuos, reduciendo el crecimiento o la condición fisiológica y producción de descendencia, lo que aumenta la vulnerabilidad a la enfermedad o la depredación, etc., con consecuencias para reclutamiento de juveniles y reposición de los bancos marisqueros. Debido al aumento de la explotación de especies no autóctonas como R. philippinarum es importante saber cómo los acontecimientos extremos afectan a las especies introducidas en comparación con las nativas. La evidencia en la literatura y nuestras experiencias actuales sugieren que la especie introducida puede ser más resistente. En esta tesis, los eventos extremos serán relacionados con los modelos de predicción meteorológica y podrán servir como una herramienta de alerta temprana para la gestión de los recursos. Estas previsiones mecanicistas que incorporan fisiología de datos y experimentos ecológicos en el laboratorio y en el campo, va más allá de los modelos de nicho tradicionales y serán mucho más fáciles de obtener estimaciones del riesgo de eventos extremos más robustos que otros métodos. La hipótesis general es que los efectos de los fenómenos extremos y el cambio climático serán más fuertes para las especies del intermareal medio que para las especies del intermareal inferior y en el interior en la parte exterior de los estuarios; también que el estrés debido a estos eventos será más fuerte en las especies nativas que en las introducidas.

Como é ben coñecido, unha das consecuencias previsibles do cambio climático global é un cambio na frecuencia da aparición de eventos extremos tales como ondas de calor e choivas torrenciais que están modificando as salinidades costeiras (IPCC de 2012). Específicamente, as proxeccións climáticas rexionais do Quinto Informe de Avaliación do IPCC e do proxecto EURO CORDEX mostran que na costa atlántica de Europa, haberá ondas de calor "moi probablemente" máis longas en duración e de maior intensidade, ben como aumento na intensidade e frecuencia de precipitación extrema para 2099. Dada a súa importancia ecolóxica e socioeconómica, os ecosistemas mariños costeiros, especialmente os estuáricos, son un gran foco de preocupación por mor das posibles consecuencias dramáticas do cambio climático sobre a súa estrutura e funcionamento. Flutuacións agudas en salinidade (S) e temperatura (T) debido a eventos extremos poden ter impactos significativos sobre os procesos bioxeoquímicos na auga e sedimentos, así como sobre a condición fisiolóxica das especies e a función metabólica. O estrés ambiental pode inducir episodios de mortalidade masiva, dependendo da especie, ciclo de vida ou contexto espazo-temporal. Isto é de especial preocupación cando as especies afectadas soportan importantes pesquerías con enormes beneficios socioeconómicos. En Galicia, as ameixas nativas Ruditapes decussatus (ameixa fina) e Venerupis corrugata (ameixa babosa), a introducida R. philippinarum (ameixa xaponesa) e o berberecho Cerastoderma edule representadan nos últimos anos, case o 80% do total das descargas de bivalvos e máis do 85% do valor comercial do total de bivalvos. Estes recursos de pesca son altamente variables, dependendo das condicións de cada banco marisqueiro (foz dos ríos, sedimentos, exposición...) e o tempo atmosférico. Principais motores de variabilidade son ondas de calor e as flutuacións na salinidade producidas por maiores descargas dos ríos polas choivas, resultando en taxas de mortalidade máis elevadas. Por exemplo, un episodio de mortalidades masivas de bivalvos ocorreu no outono-inverno 2000-2001, e impediu estes recursos de ser explotados duante un ano. Especiais condicións de choiva no inverno de 2013-14 causaron mortalidade moi grave da ameixa fina na Ría de Vigo, Ría de Arousa e Ría de Pontevedra. Con todo, o estrés ambiental non só provoca mortalidade a curto prazo, pois tamén pode ter efectos sub-letais nos individuos, reducindo o crecemento ou condición fisiolóxica e produción de descendencia, aumentando a vulnerabilidade á doenza ou predación, etc., con consecuencias para o recrutamento de xuvenís e reposición nos bancos marisqueiros. Debido ao aumento da explotación de especies non nativas como R. philippinarum é importante saber cómo eventos extremos afectan especies introducidas en comparación coas nativas. Evidencias na literatura e as nosas experiencias en curso suxiren que as especies introducidas poden ser máis resistentes. Nesta tese, eventos extremos serán relacionados con procesos meteorolóxicos para que os modelos de previsión poidan servir como unha ferramenta de alerta precoz para a xestión do recurso. Estas previsións mecanicistas, incorporando datos fisiolóxicos e ecolóxicos de experimentos no laboratorio e no campo, van máis lonxe dos modelos de nicho tradicionais e será moito máis doado que proporcionen estimacións de risco de eventos extremos máis robustas que outros métodos. A hipótese xeral é que os impactos de eventos extremos e do cambio climático serán máis fortes para as especies do intermareal medio que para as especies do intermareal inferior e no interior que na parte exterior do rías; tamén que o estrés debido a estes eventos será máis forte en especies nativas que nas introducidas.