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Unravelling fish communities´ structures in tropical to temperate reefs of eastern Australia

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78767 Thesis_ADRIANO GUIDO FOSSATI.pdf11.5 MBAdobe PDF Download

Abstract(s)

Anthropogenic climate stress events are increasing in frequency and severity, threatening marine environments. Higher temperatures alter habitats of aquatic species, which cope by shifting their ranges poleward to more suitable conditions, referred to as tropicalisation. However, the resulting changes in species, functional group biomass, and thermal affinities are variable, with uncertainties remaining around primary drivers of change. Here, I characterise the structure and temporal changes in communities’ composition, trait-based functional group biomass, and community thermal affinity. I use fish biomass records from 2010-2023 across 33 eastern Australian reefs along a tropical to temperate environmental gradient. Fish community structure is assessed using hierarchical clustering and recursive partitioning with regression trees to infer how environmental conditions (sea surface temperature, primary productivity, wave height, distance to mainland and southern oscillation index) drive the clustering structure. The main community assembly process is assessed using the Dispersal Niche Continuum Index. Functional groups are defined clustering five fish traits, whereas the surveys’ Community Thermal Index is calculated by averaging the thermal mid-points of each species weighted by their mean biomass. Finally, a generalised additive model is applied to quantify the contribution of the same environmental conditions to the changes in the community thermal index. Contrary to expectations, clear tropicalisation patterns are absent at the community level, with limited changes in tropical species biomass. However, communities’ thermal affinities show some increase over time at similar latitudes, suggesting a progression of some tropical species polewards, driven mainly by the harshness of the previous winter as well as distance to land and wave height. Overall, communities display a certain stability in composition, despite the domination of dispersal assembly processes. These results highlight the importance of integrating various spatial resolutions in analyses with extended time series fish biomass data to better detect, predict, and protect marine communities’ alterations under global climate change.
Os eventos de stress climático antropogénico estão a aumentar em frequência e severidade, ameaçando os ambientes marinhos. As temperaturas mais elevadas alteram os habitats das espécies aquáticas, que respondem mudando as suas áreas de distribuição em direção aos polos, onde as condições são mais adequadas, um fenómeno conhecido como tropicalização. A região leste da Austrália é caracterizada por um longo gradiente latitudinal de zonas de transição, com comunidades heterogéneas sensíveis a mudanças na sua composição. Estas mudanças são intensificadas pela Corrente Leste Australiana, que liga as comunidades de peixes através da dispersão de larvas de peixes. A redistribuição de características importantes, como a herbivoria, foi identificada como um fator de alteração drástica nos ecossistemas, com desflorestação significativa em regiões temperadas. Em todo o mundo, vários estudos destacaram uma progressão em direção a habitats estruturalmente simplificados, que, por sua vez, simplificam a estrutura de características e a cadeia trófica das comunidades de peixes. Para identificar a função dos ecossistemas e caracterizar as mudanças nas comunidades de peixes, a atribuição de grupos funcionais com base no agrupamento de características de espécies tem sido reconhecida como fundamental. Este método evita análises específicas de espécies, ao mesmo tempo que fornece uma avaliação mais completa da estrutura e das mudanças no ecossistema. Além disso, a biomassa dos peixes oferece um método poderoso para avaliar a estrutura ecológica das comunidades, ligando diretamente as características funcionais ao tamanho corporal, que reflete de forma previsível vários processos ecológicos importantes. As tendências de biomassa em todo o globo parecem apresentar alta variabilidade, mas, em geral, observa-se uma redução no tamanho dos peixes, particularmente em níveis tróficos mais elevados. Esta perda de peixes de grande porte pode ter efeitos desproporcionais nos ecossistemas, uma vez que desempenham papéis ecológicos chave, como a bioerosão, a regulação do crescimento de algas e a regulação das populações de presas. Todas estas mudanças na estrutura e composição das comunidades são provavelmente impulsionadas pela temperatura, um efeito amplamente conhecido em grandes escalas espaciais e temporais. No entanto, parâmetros oceanográficos importantes, incluindo, mas não se limitando, à Temperatura da Superfície do Mar (SST), Produtividade Primária (PP), vento, Corrente Leste Australiana (EAC), altura das ondas (WH), Índice de Oscilação Sul (SOI) e suas interações, são provavelmente impulsionadores importantes das comunidades de peixes na região leste da Austrália. Os efeitos das mudanças climáticas nas ocorrências de espécies no leste da Austrália, na biomassa de grupos funcionais e nas afinidades térmicas parecem ser variáveis, com incertezas remanescentes sobre os principais impulsionadores destas mudanças. Por isso, neste estudo, o meu objetivo é avaliar o efeito das mudanças climáticas nas comunidades de peixes, detetar padrões de tropicalização e seus efeitos no funcionamento dos ecossistemas. Para al, utilizo registos de peixes coletados entre 2010 e 2023 através de censos subaquáticos em 33 recifes tropicais a temperados no leste da Austrália. Em cada local, as abundâncias e os tamanhos de todas as espécies de peixes não crípticos de recife foram registados ao longo de transectos de 25 ou 50 metros de comprimento por cinco metros de largura a uma profundidade de oito a dez metros, com três a cinco réplicas. A partir do tamanho registado dos peixes, a biomassa (B) foi estimada como (B = a*(tamanho do peixe)b ), com os parâmetros morfométricos "a" e "b" de cada espécie individual recuperados do FishBase. Apliquei análises de agrupamento multivariadas para entender a composição e a rotatividade da comunidade. Utilizei a técnica de particionamento recursivo com árvores de regressão para inferir como as condições ambientais impulsionam a estrutura do agrupamento. Do Serviço de Informação Marinha da União Europeia (Copernicus), recuperei dados de séries temporais para a Temperatura da Superfície do Mar, Produtividade Primária, Altura das Ondas, distância da costa e Índice de Oscilação Sul para cada um dos locais estudados. Identifico o processo de montagem da comunidade usando o Índice de Continuidade Nicho-Dispersão (DNCI). Esta metodologia fornece um índice único e comparável que pode avaliar se o mecanismo de montagem da comunidade é dominado por nichos ou por dispersão. O DNCI é baseado no método PER-SIMPER, derivado do SIMPER, uma abordagem de modelo nulo que identifica o processo de montagem da comunidade a partir da percentagem de similaridade composicional dos grupos comunitários. Valores positivos de DNCI indicam que a comunidade biológica estudada é dominada por montagem de nicho, enquanto valores negativos indicam dominação por dispersão. Além disso, valores absolutos elevados indicam uma maior força do respetivo processo de montagem. Para identificar os grupos funcionais do meu estudo, agrupei cinco características de espécies conhecidas por serem afetadas pelas mudanças climáticas e pela sua relevância no efeito das espécies no ecossistema: agregação, tamanho corporal, faixa de profundidade, dieta e associação ao habitat. Selecionei o número ideal de agrupamentos (Grupos Funcionais) com base numa inspeção da silhueta média bootstrap e calculei o índice de similaridade de Jaccard e o índice de correspondência de Rand. Para quantificar a mudança na afinidade térmica das comunidades ao longo do tempo, computei o Índice Térmico da Comunidade (CTI) para cada censo. Recuperei as ocorrências globais de todas as 583 espécies do GBIF.org e combinei a temperatura média da superfície do mar encontrada nas suas ocorrências. Finalmente, obtive o índice térmico da comunidade por levantamento, aplicando a média ponderada nas médias de temperatura das espécies, utilizando a respetiva biomassa média. Utilizando os mesmos dados ambientais de séries temporais, avaliei, através de um modelo aditivo generalizado, os impulsionadores da afinidade térmica das comunidades. Descobri que a tropicalização das comunidades de peixes parece ter ocorrido nos últimos 14 anos no leste da Austrália, com sinais de expansão em direção aos polos das espécies tropicais, aumentando a afinidade térmica da comunidade. Este aumento na afinidade térmica é impulsionado principalmente pela severidade do inverno anterior e pela altura das ondas, que limitam a expansão em direção aos polos das espécies de peixes. A distância da costa foi identificada como um fator que intensifica a tropicalização, provavelmente destacando o efeito da Corrente Leste Australiana nos recifes exteriores. Por outro lado, ao nível da comunidade, encontrei uma certa estabilidade na composição ao longo do tempo, com as comunidades de peixes agrupando-se claramente em zonas de transição Tropical, Subtropical e Temperada. Esta estabilidade mantém-se mesmo numa escala mais detalhada com oito grupos comunitários, apesar de algumas comunidades bem ligadas serem dominadas por processos de montagem de dispersão. Sob mudanças climáticas, a tropicalização das comunidades de peixes deveria levar a um aumento da biomassa de espécies associadas aos trópicos em direção aos polos. Aqui, em contraste, observei mudanças limitadas na biomassa, com apenas alguns grupos funcionais seguindo esta expectativa. Estes grupos funcionais abrangem uma ampla gama de funções ecológicas, reforçando ainda mais a variabilidade da resposta das comunidades de peixes às mudanças climáticas. Além disso, a reação das espécies a efeitos climáticos variáveis seria específica a cada espécie, o que poderia mascarar os padrões de tropicalização nas biomassas dos grupos funcionais. Estes resultados destacam a importância de integrar várias resoluções nas análises com dados de biomassa de peixes em séries temporais mais longas para melhor detetar, prever e proteger as alterações nas comunidades marinhas sob as mudanças climáticas globais.

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Climate change Marine biodiversity Ecology Fish traits Tropicalisation

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