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Study of the physical, chemical and biological processes in semi-intensive fishponds: development of a mathematical model as a tool for managing white seabream (Diplodus sargus) production
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 8.48 MB | Adobe PDF |
Abstract(s)
Semi-intensive aquaculture has been recognised as an “environmentally friendly” option.
However, the low profitability and competitiveness of these systems compromise their economic
viability. The optimization of production is thereby crucial for the sustainability of semiintensive
pond aquaculture, and implies that fish yields are maximized with minimum impacts
on the environment. Understanding the physical, chemical and biological processes occurring in
fishponds is of outmost importance for defining farming strategies that optimize fish production.
This knowledge is even more relevant when dealing with newly cultivated species, as the white
seabream (Diplodus sargus). Due to the lack of information on the performance of this species in
earth ponds, one of the main objectives of the present work was to study the physical, chemical
and biological processes in white seabream ponds, over a production cycle. The most relevant
results of this experimental work were that: i) the impacts of fish activity on bottom sediments
are only noticeable above a fish biomass of 0.5 kg m-3 and a feeding rate of 5 kg d-1; ii) pond
sediment and water quality was comparable to that of natural systems, suggesting that the
assayed farming conditions ensure a good pond environment; and iii) pond water quality was
strongly dependent on inflowing water and on benthic nutrient fluxes, emphasizing the relevance
of optimum water exchange rates and sediment treatment to an efficient pond management. The
other main objective of this work was to develop an ecological model to be used as a tool for
managing semi-intensive systems, to improve their economic and environmental performance.
The added value of a modeling approach is that, due to their ability to integrate the complexity of
fishpond processes, models can be used to simulate the effect of different management scenarios
on the pond environment and on the adjacent coastal systems. The model was implemented and
tested with the white seabream as a case study, using data collected over the experimental work,
together with literature data. Model construction was done in 3 steps: i) implementation of a
biogeochemical model; ii) implementation of a fish Dynamic Energy Budget (DEB) model and
iii) coupling of the two models. The biogeochemical model developed in this study is a mechanistic model that reproduces the dynamics of organic and inorganic nutrient (nitrogen and
phosphorus) forms as well as of oxygen, in the pelagic and benthic compartments of an earth
pond. This model not only helped understanding the interactions between pond variables and
processes but also how pond structural features and operational parameters affect the water and
sediment quality of pond systems. The fish DEB model was able to reproduce the growth of
white seabream as well as of gilthead seabream (Sparus aurata), a traditionally cultivated
species in semi-intensive ponds. This model was used to investigate which biological processes
are more likely to influence fish performance and to explain inter-species growth variability. A
comparison between the DEB model parameters of the two Sparidae revealed that white
seabream lower growth rates are presumably linked to a higher energy demand for body
maintenance and a lower feed absorption efficiency. The coupled model was able to reproduce
fish pond dynamics, and was further used to simulate different management scenarios, related to
stocking densities, water exchange rates and feeding strategies. Scenarios and standard farming
conditions were compared in terms of their effects on pond water and sediment quality, as well
as on final fish yields and nutrient discharges into the environment. Using the Analytical
Hierarchical Process (AHP) methodology, scenarios were ranked in order to evaluate the best
management options for optimizing white seabream production. Results revealed that doubling
the standard stocking density and improving feed absorption efficiency, may enhance the
performance of semi-intensive white seabream production systems. Aside from providing a tool
for managing aquaculture systems, this work contains valuable information for defining
guidelines on environmental standards (e.g. Maximum Recommended Values) for marine fish
farming.
No atual contexto de declínio dos recursos marinhos, a aquacultura poderá desempenhar um papel determinante como fonte de proteína alternativa, para responder à crescente procura de produtos alimentares de origem marinha e reduzir a pressão da atividade piscatória. Como consequência da intensificação da produção à escala global, os impactes ambientais da aquacultura têm vindo a aumentar. Neste trabalho foi feita uma extensa revisão bibliográfica sobre os principais impactes ambientais desta atividade e possíveis medidas de mitigação destes impactes. A importância do conceito de capacidade de carga para a sustentabilidade da aquacultura foi também abordada neste trabalho de revisão, e são apresentadas algumas metodologias e ferramentas que podem ser utilizadas para a redução ou antecipação dos impactes da aquacultura, como é o caso dos modelos matemáticos e dos Sistemas de Apoio à Decisão. Se a piscicultura intensiva é por vezes associada a uma degradação ambiental, aquela que é tipicamente realizada em regime semi-intensivo nos países mediterrânicos, tem sido reconhecida como uma opção “amiga” do ambiente. O menor grau de artificialidade (ou seja, as densidades de carga mais baixas, os caudais reduzidos e a menor quantidade de alimento fornecido) destes sistemas comparativamente com os sistemas intensivos reduzem substancialmente a sua pegada ecológica. Devido à crescente preocupação dos consumidores com a segurança alimentar e o bem-estar das espécies cultivadas, a procura de produtos provenientes da aquacultura semiintensiva tem vindo a aumentar nos últimos anos. Apesar deste aumento da procura, estes sistemas são muitas vezes caracterizados por uma baixa rentabilidade, que resulta principalmente de uma baixa produtividade associada a elevados custos de produção. Para além da reduzida rentabilidade, a baixa competitividade da piscicultura semi-intensiva face aos baixos preços dos produtos de origem intensiva, compromete fortemente a sua viabilidade económica. Para assegurar o futuro deste tipo de aquacultura, é necessário desenvolver protocolos que permitam otimizar a produção, ou seja maximizar a produção, mantendo produtos de alta qualidade e minimizando os impactes ambientais desta atividade. Uma vez que o conhecimento dos processos físicos, químicos e biológicos em tanques de piscicultura é de primordial importância para a definição de estratégias de cultivo que permitam otimizar a produção nestes sistemas, um dos principais objectivos deste estudo foi estudar estes processos ao longo de um ciclo de produção de sargo (Diplodus sargus). Os modelos matemáticos, por serem capazes de integrar a dinâmica dos processos que ocorrem nos tanques de cultivo, podem ser utilizados para a simulação de diferentes cenários de gestão bem como para a previsão do impacte desta atividade no meio recetor, constituindo por isso uma ferramenta valiosa para a sustentabilidade da piscicultura semi-intensiva. Neste sentido, o outro grande objetivo deste trabalho consistia no desenvolvimento de um modelo ecológico para tanques de terra de cultivo semi-intensivo de peixes, de modo a maximizar a eficiência económica e a eficiência ambiental destes sistemas. Este modelo foi depois aplicado ao caso concreto do cultivo de sargo (Diplodus sargus), para avaliar a viabilidade do cultivo desta espécie em regime semiintensivo. Uma vez que a diversificação de espécies tem sido referida como uma das estratégias para aumentar a rentabilidade e a competitividade da piscicultura semi-intensiva, o sargo, sendo uma espécie autóctone e de elevado valor comercial nos países mediterrânicos, é considerado como um potencial candidato à aquacultura semi-intensiva em tanques de terra.
No atual contexto de declínio dos recursos marinhos, a aquacultura poderá desempenhar um papel determinante como fonte de proteína alternativa, para responder à crescente procura de produtos alimentares de origem marinha e reduzir a pressão da atividade piscatória. Como consequência da intensificação da produção à escala global, os impactes ambientais da aquacultura têm vindo a aumentar. Neste trabalho foi feita uma extensa revisão bibliográfica sobre os principais impactes ambientais desta atividade e possíveis medidas de mitigação destes impactes. A importância do conceito de capacidade de carga para a sustentabilidade da aquacultura foi também abordada neste trabalho de revisão, e são apresentadas algumas metodologias e ferramentas que podem ser utilizadas para a redução ou antecipação dos impactes da aquacultura, como é o caso dos modelos matemáticos e dos Sistemas de Apoio à Decisão. Se a piscicultura intensiva é por vezes associada a uma degradação ambiental, aquela que é tipicamente realizada em regime semi-intensivo nos países mediterrânicos, tem sido reconhecida como uma opção “amiga” do ambiente. O menor grau de artificialidade (ou seja, as densidades de carga mais baixas, os caudais reduzidos e a menor quantidade de alimento fornecido) destes sistemas comparativamente com os sistemas intensivos reduzem substancialmente a sua pegada ecológica. Devido à crescente preocupação dos consumidores com a segurança alimentar e o bem-estar das espécies cultivadas, a procura de produtos provenientes da aquacultura semiintensiva tem vindo a aumentar nos últimos anos. Apesar deste aumento da procura, estes sistemas são muitas vezes caracterizados por uma baixa rentabilidade, que resulta principalmente de uma baixa produtividade associada a elevados custos de produção. Para além da reduzida rentabilidade, a baixa competitividade da piscicultura semi-intensiva face aos baixos preços dos produtos de origem intensiva, compromete fortemente a sua viabilidade económica. Para assegurar o futuro deste tipo de aquacultura, é necessário desenvolver protocolos que permitam otimizar a produção, ou seja maximizar a produção, mantendo produtos de alta qualidade e minimizando os impactes ambientais desta atividade. Uma vez que o conhecimento dos processos físicos, químicos e biológicos em tanques de piscicultura é de primordial importância para a definição de estratégias de cultivo que permitam otimizar a produção nestes sistemas, um dos principais objectivos deste estudo foi estudar estes processos ao longo de um ciclo de produção de sargo (Diplodus sargus). Os modelos matemáticos, por serem capazes de integrar a dinâmica dos processos que ocorrem nos tanques de cultivo, podem ser utilizados para a simulação de diferentes cenários de gestão bem como para a previsão do impacte desta atividade no meio recetor, constituindo por isso uma ferramenta valiosa para a sustentabilidade da piscicultura semi-intensiva. Neste sentido, o outro grande objetivo deste trabalho consistia no desenvolvimento de um modelo ecológico para tanques de terra de cultivo semi-intensivo de peixes, de modo a maximizar a eficiência económica e a eficiência ambiental destes sistemas. Este modelo foi depois aplicado ao caso concreto do cultivo de sargo (Diplodus sargus), para avaliar a viabilidade do cultivo desta espécie em regime semiintensivo. Uma vez que a diversificação de espécies tem sido referida como uma das estratégias para aumentar a rentabilidade e a competitividade da piscicultura semi-intensiva, o sargo, sendo uma espécie autóctone e de elevado valor comercial nos países mediterrânicos, é considerado como um potencial candidato à aquacultura semi-intensiva em tanques de terra.
Description
Keywords
Aquacultura semi-intensiva Impacto ambiental Sargo Diplodus sargus Modelos matemáticos Sustentabilidade