The integrated functioning of marine ecosystems

An ecosystem-based approach to the management of marine ecosystems is the goal of the recent European Integrated Maritime Policy, known as the Blue Book (2007), shortly followed by the new Marine Strategy Framework Directive (2008/56/EC). It is recognized that management should take into account the processes taking place within, and the interactions between ecological, social and economic systems to be effective and sustainable. Yet a quantitative knowledge about such processes and the interactions between marine ecosystems and socio-economic systems is often weak or lacking. The goal of this thesis is to explore how pressures exerted on large-scale marine ecosystems translate into state changes. The focus is on multiple pressures, and on both populations and ecosystems, i.e. on the integrated functioning of marine ecosystems. Both anthropogenic pressures, such as fishing or nutrient enrichment, and natural ones, such as climate and environmental variability, are taken into account, mainly based on the Northern Adriatic Sea case study. The Northern Adriatic Sea is a data-rich Mediterranean basin, eutrophic, heavily fished, strongly influenced by climate, and with a long history of human pressures acting on it. Different methodologies are used in a complementary manner, such as conceptual models, ecological network analysis applied to a static trophic network model, timeseries analysis, population models, review of historical data, and meta-analysis of macroecological patterns. Case studies include species of commercial importance such as small pelagics or crabs, or charismatic predators such as sharks and skates. Based on the study of the functioning of marine ecosystems from many different points of view, the main conclusion of this work is that an ecosystem-based approach is indeed necessary to manage marine ecosystems. The reason is that multiple interacting factors, including but not limited to external pressures, can and do influence ecosystem functioning “bottom up”, “top down”, as well as from the middle of the system.

Un approccio ecosistemico alla gestione degli ecosistemi marini è l’obiettivo della recente Politica Marittima Integrata per l’Unione Europea, nota come Blue Book (2007), seguita a breve dalla nuova Direttiva Quadro sulla Strategia per l’Ambiente Marino (2008/56/EC). Vi si riconosce che, per esercitare una gestione efficace e sostenibile, si devono considerare i processi che si svolgono all’interno dei sistemi ecologici, sociali ed economici, e le interazioni fra tali sistemi. Tuttavia, una conoscenza quantitativa di tali processi e delle interazioni fra gli ecosistemi marini e i sistemi socio-economici è spesso scarsa, se non del tutto mancante. Lo scopo di questa tesi è comprendere meglio come le pressioni agenti su ecosistemi marini a larga scala portino a cambiamenti di stato. Ci si è concentrati su pressioni multiple, e sia su popolazioni che ecosistemi, ovvero sul funzionamento integrato degli ecosistemi marini. Sono state considerate sia pressioni di origine antropica come pesca ed apporti di nutrienti, che naturali come la variabilità climatica ed ambientale, basandosi principalmente sul caso di studio dell’Adriatico Settentrionale. L’Adriatico Settentrionale è un bacino del Mar Mediterraneo caratterizzato da abbondanza di dati utilizzabili a scopo scientifico, ed è un ecosistema eutrofico, intensamente sfruttato dalla pesca, fortemente influenzato dal clima, ed è sottoposto a pressioni antropiche da lungo tempo. Si sono utilizzate in maniera complementare differenti metodiche, fra cui modelli concettuali, l’analisi di reti ecologiche (Ecological Network Analysis) applicata ad un modello statico di rete trofica, l’analisi di serie temporali, modelli di popolazione, rassegna di dati storici, e meta-analisi di regolarità macro-ecologiche. I casi di studio includono specie di importanza commerciale come pesce azzurro o granchi, e predatori famosi come squali e razze. La principale conclusione di questo lavoro, basata sullo studio del funzionamento degli ecosistemi marini da molti punti di vista diversi, è che un approccio ecosistemico è realmente necessario nella gestione degli ecosistemi marini. Il motivo è che il funzionamento degli ecosistemi può essere ed è effettivamente influenzato da fattori multipli interagenti fra di loro, che includono (senza essere limitati ad esse) le pressioni esterne, e che agiscono sia dal basso (cioè dai livelli gerarchici inferiori) verso l’alto, che dall’alto (cioè dai livelli gerarchici superiori) verso il basso, ed a partire dall’interno (ovvero, dalle gerarchie intermedie) del sistema.