8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 1103 Mετα-αναλυση των επιπτωσεων θαλασσιων ιχθυοκαλλιεργειων στο βενθικό περιβαλλον Iωάννα Kαλαντζή, Iωάννης Kαρακάσης Εργαστήριο Θαλάσσιας Οικολογίας, Τμήμα Βιολογίας, Πανεπιστήμιο Κρήτης, ΤΘ 2208, 71409 Ηράκλειο- Κρήτη, Ελλάδα Περιληψη Αναλύθηκαν 41 δημοσιευμένες εργασίες για τις επιπτώσεις των ιχθυοκαλλιεργειών στο βενθικό περιβάλλον και συγκεντρώθηκαν σε βάση δεδομένων οι τιμές βιολογικών και γεωχημικών μεταβλητών προκειμένου να χρησιμοποιηθούν σε μετα-ανάλυση των επιπτώσεων. Η πολλαπλή σταδιακή παλινδρόμηση έδειξε ότι οι περισσότερες βιολογικές και γεωχημικές μεταβλητές καθορίζονται από τον συνδυασμό της απόστασης από την υδατοκαλλιέργεια με το βάθος και/ή το γεωγραφικό πλάτος. Τα αποτελέσματα της πολλαπλής σταδιακής παλινδρόμησης για κάθε τύπο ιζήματος ξεχωριστά έδειξαν ότι, αν και υπάρχει ομοιότητα στο γενικό μοντέλο για τους διάφορους τύπους ιζημάτων, οι συντελεστές μεταβάλλονταν σημαντικά. Συμπεραίνεται ότι η πολυπλοκότητα των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μεταβλητών και η έλλειψη δεδομένων, όπως η ταχύτητα των ρευμάτων, επιφέρει δυσκολία στην θέσπιση ενιαίων περιβαλλοντικών προδιαγραφών για τις επιπτώσεις των ιχθυοκαλλιεργειών στο βένθος. Benthic impacts of fish farming: meta-analysis of community and geochemical data Ioanna Kalantzi, Ioannis Karakassis Marine Ecology Laboratory, Department of Biology, University of Crete, P.O. Box 2208, GR 71409, Heraklion, Crete, Greece Abstract A meta-analysis of 41 papers dealing with benthic effects of fish farming was carried out after extracting the values of the biogeochemical variables reported. The use of stepwise regression showed that most biological and geochemical variables are determined by a combination of distance from the farm with bottom depth and/or latitude. Results of stepwise regression, repeated separately for each type of sediment showed that although the general pattern was similar among different types of sediments, the coefficients varied considerably. The overall conclusion is that the complicated interactions between variables and the lack of data, such as current speed, induce difficulties in setting common or uniform environmental quality standards for benthic effects of fish farming. Keywords: Cage aquaculture; Mariculture; Benthic enrichment; Sediment types; Biogeochemistry; Meta-analysis
1104 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Εισαγωγη Η πιο ευρέως διαδεδομένη επίπτωση των υδατοκαλλιεργειών στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι η υποβάθμιση του βυθού (Gowen & Bradbury 1987). Επιμέρους μελέτες για τον εντοπισμό των επιπτώσεων των ιχθυοκαλλιεργειών στο βένθος έχουν καταλήξει σε διαφορετικά συμπεράσματα για την χωρική κατανομή και την ένταση των επιπτώσεων. Αυτή η ασυμφωνία προκύπτει από την μεγάλη ποικιλία στον σχεδιασμό και στη μεθοδολογία των μελετών, στους χρησιμοποιούμενους δείκτες όπως επίσης στα ενδιαιτήματα και στις άλλες περιβαλλοντικές παραμέτρους που περιγράφουν τις περιοχές μελέτης. Στόχος της παρούσας εργασίας ήταν η εκτίμηση της χωρικής κατανομής και της έντασης των επιπτώσεων στο βένθος σε διαφορετικές γεωγραφικές ζώνες, βάθη και τύπους ιζήματος ώστε να εξαχθούν εμπειρικά μοντέλα που θα επιτρέψουν την θέσπιση ενιαίων προδιαγραφών για την ποιότητα του περιβάλλοντος. Για αυτό χρησιμοποιήθηκε η μετα-ανάλυση δεδομένων από δημοσιευμένες εργασίες που καλύπτουν ένα ευρύ φάσμα φυσικών και γεωγραφικών συνθηκών όπως επίσης και διάφορα εκτρεφόμενα είδη και τεχνολογίες εκτροφής. Υλικα και Μεθοδοι Από 41 εργασίες που ασχολούνται με το βενθικό οικοσύστημα σε περιοχές ιχθυοτροφείων, αντλήθηκε η διαθέσιμη πληροφορία για κάθε περιβαλλοντική μεταβλητή από πίνακες και διαγράμματα και τα στοιχεία καταχωρήθηκαν σε βάση δεδομένων. Καταγράφηκε επίσης το βάθος, ο τύπος ιζήματος για τους σταθμούς δειγματοληψίας, η απόσταση από τους κλωβούς, οι γεωγραφικές συντεταγμένες, η εποχή μελέτης και το είδος του καλλιεργούμενου οργανισμού. Πολλαπλή σταδιακή παλινδρόμηση διεξήχθη για όλη τη βάση δεδομένων χρησιμοποιώντας ως εξαρτημένες: διάφορες γεωχημικές και βιολογικές μεταβλητές και ως ανεξάρτητες την απόσταση (Ln) από την καλλιέργεια, το βάθος και το γεωγραφικό πλάτος. Η πολλαπλή παλινδρόμηση επαναλήφθηκε χωριστά για διάφορους τύπους ιζήματος, με εξαρτημένες μεταβλητές: TOC, TON, Shannon, Ln(αφθονίας) και Ln(βιομάζας). Αποτελεσματα Συζητηση Η εφαρμογή της πολλαπλής σταδιακής παλινδρόμησης (Πίνακας 1) έδειξε ότι οι περισσότερες βιολογικές και γεωχημικές μεταβλητές προσδιορίζονται από τον συνδυασμό της απόστασης από την καλλιέργεια, το βάθος και/ή το γεωγραφικό πλάτος. Όλες οι μεταβλητές που περιγράφουν τον οργανικό εμπλουτισμό του βένθους παρουσίασαν μείωση με τον λογάριθμο της απόστασης από την υδατοκαλλιέργεια, ενώ εμφάνισαν αύξηση με το γεωγραφικό πλάτος. Η μεταβολή των συγκεντρώσεων του TOC, του TON και του LOI με την αύξηση της απόστασης από την υδατοκαλλιέργεια έχει αναφερθεί σε πολλές εργασίες (Weston, 1990; Karakassis et al., 2000). Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι υπάρχει τρόπος να ληφθεί μια γενική εικόνα αυτής της μείωσης λαμβάνοντας υπόψη και άλλες μεταβλητές όπως το βάθος και το γεωγραφικό πλάτος. Οι μεταβολές των δεικτών της οργανικής ύλης με το γεωγραφικό πλάτος πιθανόν αποδίδονται σε αυξημένη παραγωγικότητα και ιζηματαπόθεση οργανικής ύλης στον πυθμένα της θάλασσας, καθώς επίσης σε αυξημένους ρυθμούς ιζηματαπόθεσης τροφής και περιττωμάτων ψαριών από την καλλιέργεια σολομού συγκριτικά με τους πιο αργούς ρυθμούς του λαβρακίου και της τσιπούρας (Magill et al., 2006). Οι βαθυμετρικές αλλαγές αποδίδονται στην διαφορετική σύσταση του πυθμένα, δηλαδή αυτές που βρίσκονται βαθύτερα περιέχουν μεγαλύτερες ποσότητες ιλύος και έτσι περιέχουν μεγαλύτερη ποσότητα οργανικής ύλης (Gray, 1981; Karakassis & Eleftheriou, 1998). Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ότι το οξειδοαναγωγικό δυναμικό αυξάνεται με την απόσταση από την υδατοκαλλιέργεια (λόγω μείωσης του βενθικού εμπλουτισμού) και επίσης με το βάθος εφόσον όσο
8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 1105 μεγαλύτερη η απόσταση μεταξύ κλωβών και πυθμένα τόσο μεγαλύτερος ο βαθμός διασποράς των αποβλήτων όπως έχει διαπιστωθεί σε πολλά μοντέλα (Gowen & Bradbury, 1987; Cromey et al, 2002). Η τάση για μείωση του οξειδοαναγωγικού δυναμικού με το γεωγραφικό πλάτος συμβαδίζει με την παρατηρούμενη αύξηση της οργανικής ύλης στην περίπτωση αυτή. Η βιομάζα αυξάνεται με την απόσταση από την υδατοκαλλιέργεια ακολουθώντας την συνολική τάση που περιγράφεται από τους Pearson & Rosenberg (1978) και ελαττώνεται ελάχιστα με το βάθος, πιθανόν εξαιτίας της αλλαγής του μεγέθους των κόκκων του ιζήματος. Η μεταβλητότητα του συντελεστή Shannon εξηγείται κατά 68,6% από το μοντέλο ενσωματώνοντας την απόσταση, το βάθος και το γεωγραφικό πλάτος. Ο τύπος ιζήματος επιδρά σημαντικά στις βιογεωχημικές παραμέτρους του βενθικού συστήματος (Gray, 1981) και έχει διαπιστωθεί ότι σε διαφορετικού τύπου ιζήματα και βάθη οι παράγοντες που καθορίζουν την σύσταση των βιολογικών κοινοτήτων ποικίλουν σημαντικά (Karakassis & Eleftheriou 1997). Για να απαλειφθεί η επίδραση του τύπου του ιζήματος στα μοντέλα που εξετάστηκαν, επαναλάβαμε την πολλαπλή παλινδρόμηση ξεχωριστά (Πίνακας 2) για κάθε τύπο ιζήματος (αμμώδη, αδρά, ιλυώδη). Ο συντελεστής του TOC για την απόσταση παρουσιάζει μείωση από τα αδρόκοκκα προς τα ιλυώδη ιζήματα.. Το ποσοστό της μεταβλητότητας του TOC που ερμηνεύεται από το μοντέλο αυξάνει στα πλέον αδρόκοκκα ιζήματα φθάνοντας το 79% ενώ στα ιλυώδη δεν υπερβαίνει το 28%. Τα γενικά συμπεράσματα της παρούσας μελέτης είναι: (Α) Οι περισσότερες γεωχημικές μεταβλητές έχουν δείξει συνεπή μορφή στον εμπλουτισμό του βένθους (μείωση της οργανικής ύλης και της κατανάλωσης οξυγόνου, αύξηση του οξειδοαναγωγικού δυναμικού και της συγκέντρωσης οξυγόνου στον πυθμένα), (Β) Οι μεταβολές με το γεωγραφικό πλάτος έχουν παρατηρηθεί ως αποτέλεσμα των τιμών υποβάθρου όπως επίσης και εξαιτίας των διαφορετικών χαρακτηριστικών των ειδών που καλλιεργούνται και των ταχυτήτων ιζηματαπόθεσης των αποβλήτων της καλλιέργειας, (Γ) Η αύξηση του βάθους οδηγεί σε δύο διαφορετικούς τύπους συνεπειών: (α) επιτρέπει μεγαλύτερο βαθμό διασποράς (έτσι αυξάνει το οξειδοαναγωγικό δυναμικό, το διαλελυμένο οξυγόνο και η ποικιλότητα του βένθους) και (β) περιλαμβάνει αλλαγές του μεγέθους του κόκκου του ιζήματος (αυξάνει το ποσοστό των λεπτόκοκκων σωματιδίων) το οποίο στην συνέχεια επιτρέπει υψηλότερη απορρόφηση οργανικής ύλης και χαμηλότερα επίπεδα βιομάζας του μακροβένθους., (Δ) Ο τύπος του ιζήματος κάτω από την καλλιέργεια είναι σημαντικός παράγοντας που καθορίζει τόσο την έκταση όσο και την σοβαρότητα των επιπτώσεων. (Ε) Η οριζόντια απόσταση από την υδατοκαλλιέργεια που επηρεάζεται από τα απόβλητα της μειώνεται σε μεγαλύτερα βάθη, σε μικρά γεωγραφικά πλάτη και σε πιο λεπτόκοκκα ιζήματα. Όλα τα παραπάνω υποδηλώνουν την δυσκολία θέσπισης ενιαίων προδιαγραφών σε μεγάλη γεωγραφική περιοχή εφόσον η έκταση και η σοβαρότητα των επιπτώσεων στο βένθος καθορίζονται από πολύπλοκες αλληλεπιδράσεις διαφόρων παραγόντων όπως το βάθος, το γεωγραφικό πλάτος και ο τύπος ιζήματος. Λόγω περιορισμένης διαθεσιμότητας δεδομένων, κάποιοι σημαντικοί παράγοντες (π.χ. ρεύματα) δεν λήφθηκαν υπόψη αν και εν μέρει αντικατοπτρίζονται στον τύπο του ιζήματος. Πρόσφατα δημιουργήθηκαν μοντέλα που συνδυάζουν μετρήσεις ρευμάτων (Henderson et al., 2001; Cromey et al., 2002) και ταχυτήτων απόθεσης των αποβλήτων των υδατοκαλλιεργειών (Magill et al., 2005 in press) τα οποία μπορούν να συμβάλουν σε πιο ακριβή πρόβλεψη των επιπτώσεων εφόσον θα υπάρχουν τα κατάλληλα δεδομένα. Τελικά χρειάζεται περαιτέρω μελέτη για την εύρεση δεικτών οι οποίοι θα χρησιμοποιηθούν σε ευρύτερη κλίμακα για τις επιπτώσεις στο βένθος καθώς επίσης και για τις
1106 8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας Πίνακας 1. Αποτελέσματα πολλαπλής σταδιακής παλινδρόμησης για όλα τα δεδομένα (* p<0,05, ** p<0,01, *** p<0,005) Σταθερά Ln(απόστασης) Βάθος Γεωγρ. πλάτος Αριθμός % Μεταβλητή συντελεστής p συντελεστής p συντελεστής p συντελεστής p δειγμάτων διασπορά TOC -0.086*** -0.006*** 0.00044-0.003*** 218 36.1 LOI -0.023- -0.014*** 0.004*** 109 43.5 TON -0.017*** -0.001*** 0.00015*** 0.00043*** 172 25.8 Eh2,4cm 118.100-24.226*** 3.876* -3.816* 161 22.5 O2BENT -30.674- -15.749*** 3.295-79 9.5 DOBOT -18.506* 0.439*** 0.475* 0.238*** 50 26.2 Shannon 3.314*** 0.233*** 0.076*** -0.068*** 161 68.6 Evenness 15.171*** -0.163*** -0.216*** 109 26 # species 75.602*** 0.950*** -1.339*** 180 51.2 Ln(Abund) 13.078*** -0.067*** -0.074*** 214 6.4 Ln (biomass) 4.412*** 0.175*** -0.060*** 123 20 Πίνακας 2. Αποτελέσματα της πολλαπλής σταδιακής παλινδρόμησης ανά τύπο ιζήματος (* p<0.05, ** p<0.01, *** p<0.005) Σταθερά LN(απόστασης) Βάθος Γεωγρ. πλάτος Αριθμός % Μεταβλητή συντελ.. p συντελ. p συντελ.. p συντελ.. p δειγμάτων διασπορά Ιλυώδη ιζήματα TOC 0.050** -0.006*** -0.001-0,001*** 90 27.6 TON 0.010*** -0.00022*** -0.0004* 42 55.1 SHANNON -0.021-0.314*** 0,088*** 65 77.9 NUMSP 20.054*** 5.514*** 22 37.2 LOGABU 11.200*** -0,119-22 12.1 LOGBIOM 3.172-0.185- -0.149** 0.078* 20 65.8 Αμμώδη ιζήματα TOC -0.125*** -0.004* 0.010*** 84 58.7 TON 0.032*** -0.001*** 0.002*** -0.001*** 81 58.8 SHANNON 4.464*** 0.386*** -0.078*** 67 49.1 NUMSP 205.105*** 6.314** -11.222*** 28 54.6 LOGABU 2.604-0.287*** 0.131*** 77 21.5 LOGBIOM -3.311* 0.763*** -0.287*** 0.221*** 41 67.3 Αδρόκοκκα ιζήματα TOC -0.055*** -0.002*** 0.002*** 63 78.9 TON -0.042*** -0.00019*** 0.0004* 0.001*** 55 44.2 SHANNON 86.015** 0.391*** -2.186* 24 46 NUMSP 52.135*** 4.922-24 10.4 LOGABU -33.543- -0.501*** 0.055-1.110-24 71.4 LOGBIOM -42.622* -0.463*** 0.041-1.205* 24 73.6
8ο Πανελλήνιο Συμποσιο Ωκεανογραφίας & Αλιείας 1107 επιπτώσεις στην στήλη και στα άγρια ψάρια οι οποίες είναι λιγότερο κατανοητές διαδικασίες. Βιβλιογραφια Cromey, C.J., Nickell, T.D., Black, K.D., 2002. DEPOMOD-modelling the deposition and biological effects of waste solids from marine cage farms. Aquaculture 214: 211-239. Gowen, R.J., Bradbury, N.B., 1987. The ecological impact of salmonid farming in coastal waters: A review. Oceanography and Marine Biology Annual Review 25: 563-575. Gray, J.S., 1981. The ecology of marine sediments. Cambridge University Press, Cambridge UK. Henderson, A., Gamito, S., Karakassis, I., Pederson, P., Smaal, A., 2001. Use of Hydrodynamic and Benthic Models for Managing Environmental Impacts. Journal of Applied Ichthyology 17: 163-172. Karakassis, I., Eleftheriou, A., 1997. The continental shelf of Crete: structure of macrobenthic communities. Marine Ecology Progress Series 160: 185-196. Karakassis, I., Eleftheriou, A., 1998. The continental shelf of Crete: the benthic environment. Marine Ecology 19: 263-277. Karakassis, I., Tsapakis, M., Hatziyanni, E., Papadopoulou, K.N., Plaiti, W., 2000. Impact of cage farming of fish on the seabed in three Mediterranean coastal areas. ICES Journal of Marine Science 57: 1462-1471. Magill, S.H., Thetmeyer, H., Cromey C.J., 2006. Settling velocity of faecal pellets of gilthead sea bream (Sparus aurata L.) and sea bass (Dicentrarchus labrax L.) and sensitivity analysis using measured data in a deposition model. Aquaculture 251: 295-305. Pearson, T.H., Rosenberg, R., 1978. Macrobenthic succession in relation to organic enrichment and pollution of the marine environment. Oceanography and Marine Biology Annual Review 16: 229-311. Weston, D.P., 1990. Quantitative examination of macrobenthic community changes along an organic enrichment gradient. Marine Ecology Progress Series 61: 233-244.