• Nenhum resultado encontrado

Vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique"

Copied!
75
0
0

Texto

(1)

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VERTICAL DYNAMICS OF PLANKTONIC

COMMUNITIES AT SOFALA BANK, MOZAMBIQUE

 

 

 

 

(2)
(3)
(4)
(5)

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VERTICAL DYNAMICS OF PLANKTONIC

COMMUNITIES AT SOFALA BANK, MOZAMBIQUE

 

 

Dissertação orientada pelos:

Professor Doutor José Paula

Professora Doutora Vanda Brotas

 

 

Miguel Albuquerque da Costa Leal

MESTRADO EM ECOLOGIA MARINHA

(6)
(7)

Acknowledgements 

To all people that in some way contributed to this work, I express my sincere gratitude, especially to:   

Professor  Doutor  José  Paula,  for  taking  a  chance  on  me  and  for  all  the  support,  supervision,  confidence, friendship and transfer of knowledge, but most of all for his joviality and all the joyfull  moments, which turned this hard and serious work into a delightful and pleasant learning process.  Professora  Doutora  Vanda  Brotas,  for  having  accepted  to  guide  this  thesis  and  for  the  support,  recommendations  and  companionship,  for  believing  in  me  and  also  for  spending  some  of  her  precious (and little) time with me. 

Carolina Sá and Rafael Mendes, without whom part of this work would never be possible, for all the  trust,  patience,  and  time  spent  on  laboratory,  as  well  for  the  friendship,  support  and  enthusiasm  during this work, even in the hardest moments. 

All people onboard the R/V “Dr. Fridtjof” Nansen, for the collaboration during sample period, namely  Jens‐Otto Krakstad and Diana Zaera, for the nice discussions and help with paperwork, and also to  Carlos  Bento,  Domingos  Zacarias  e  Zé  Chamuse  for  their  very  important  help  on  the  sampling  process. 

Sónia Nordez and Maurício Lipassula, for their help processing plankton samples in Lisbon; to James  Mwaluma,  for  the  larval  fish  identification;  and  to  Paulo  Oliveira  for  his  expertise  on  current  data  interpretation. 

All  the  people  of  the  LMG,  namely  Ricardo  Mendes,  Gil  Penha‐Lopes  and  Laura  Antão,  for  the  friendship and nice chats when difficult choices had to be made. 

Bruno Jesus, for his patience in teaching me the world of R and statistics, which definitively was very  important for the statistical and graphical analysis. 

All my friends, both from the University and Ponto Zero, for all the joy and happiness and also for  encouraging and cheering me up in my worst days. Special thanks to my truly friend Vasco Mota, for 

(8)

 

 

ii 

all  the  articles  he  sent  me  from  the  Netherlands  and,  most  of  all,  for  his  friendship  and  nice  discussions. 

My  Family,  for  the  unconditional  support,  concern,  care,  recommendations  and  patience.  Special  thanks to my mother, father and sister for accepting those (long) periods in which I’m not present,  for teaching me the importance of organization at work, discipline and timings, but essentially for  what I am today; to my uncle João Martins for the nice chats, holidays and gym classes that were  essential to my welfare and mental sanity; to my uncle João Caraça, for the conversations that gave  me  a  scientific  view  of  this  world;  and  also  to  my  uncle  Luis  Leal,  for  my  initiation  to  biology  and  kindle my interest in become a marine biologist, and to the discussions and stories about the natural  world, which are the reason for my interest in biology and curiosity to explore and understand our  natural world. 

At  last,  but  not,  by  any  means,  less  important,  to  Marta,  my  source  of  motivation  to  be  a  better  person  and  a  hard  working  scientist,  for  all  the  love,  care,  patience  and  trust,  for  providing  me  everyday with a smile in my face and for making me understand how much this life is worth living.  Thank you for being here! 

(9)

Resumo 

As zonas costeiras são ecossistemas de grande importância para as actividades humanas, onde se  desenrolam  complexos  processos  naturais  com  elevada  variabilidade  espacial  e  temporal.  Destes  processos,  com  particular  importância  para  a  geração  de  recursos,  destacam‐se  os  fenómenos  de  maré e as correntes costeiras, que, entre outros factores, estão fortemente associados às variações  das  propriedades  físico‐químicas  da  massa  de  água  costeira  (p.e.  temperatura,  salinidade  e  nutrientes). Consequentemente, esta variabilidade influencia as diferentes comunidades que estão  na base dos ecossistemas marinhos, como as comunidades fito‐ e zooplanctónicas, assim como as  larvas de peixes e de invertebrados marinhos. É de salientar que, no que respeita aos processos bio‐ ecológicos das larvas de peixes e de invertebrados marinhos, a variação na abundância e padrões de  distribuição na zona costeira está fortemente dependente de fenómenos como os ventos e correntes  que,  entre  outros  factores,  condicionam  a  sobrevivência  e,  consequentemente,  a  taxa  de  recrutamento para as populações de organismos costeiros. 

O  presente  estudo  decorreu  no  Banco  de  Sofala  (Moçambique),  uma  extensa  plataforma  continental existente na zona costeira situada em frente ao delta do Rio Zambeze (um dos maiores  rios de África), onde ocorrem as mais importantes actividades pesqueiras de Moçambique. Tendo em  consideração a importância económica do Banco de Sofala e a grande influência do Rio Zambeze no  funcionamento  dos  processes  ecológicos  costeiros,  os  objectivos  desta  investigação  foram  direccionados para as variações existentes ao nível hidrológico e biológico que suportam esta intensa  actividade pesqueira. Aspectos como as propriedades físico‐químicas da massa de água e correntes  costeiras  foram  estudados  conjuntamente  com  a  distribuição  e  abundância  de  nutrientes,  comunidades fitoplanctónicas (estudados através de assinaturas de pigmentos analisadas por HPLC),  zooplâncton  e  larvas  de  peixe  (especificamente  da  espécie  Herklotsichthys  quadrimaculatus),  decorrentes  no  Banco  de  Sofala.  Os  trabalhos  desenvolvidos  foram  especialmente  direccionados  para  a  distribuição  horizontal  na  plataforma  continental  (baseada  na  amostragem  de  11  estações  radiais  distribuídas  ao  longo  de  3  transectos  perpendiculares  à  costa),  e  para  a  dinâmica  vertical  destes processos ao longo de um ciclo de 48 horas (com uma periodicidade de amostragem de 2 h  numa estação fixa). O processo de amostragem decorreu ao longo de 3 dias e foi desenvolvido no  decorrer  de  uma  missão  oceanográfica  realizada  a  bordo  do  N/O  “Dr.  Fridtjof  Nansen”,  integrada  num projecto direccionado para o estudo dos ecossistemas costeiros de Moçambique. 

(10)

 

 

iv 

A  variação  horizontal  da  maioria  dos  parâmetros  analisados  revelou  a  existência  de  gradientes  costa – largo e de descargas do rio Zambeze, evidenciadas pela de intrusão de águas estuarinas na  zona  costeira.  A  distribuição  superficial  das  propriedades  físico‐químicas  analisadas  evidenciou  a  presença  de  uma  massa  de  água  menos  salina  e  mais  quente  na  zona  central,  associada  provavelmente a descargas estuarinas, enquanto que a distribuição das concentrações de nutrientes  só  evidenciou  gradientes  perpendiculares  à  costa  para  os  silicatos,  dado  que  a  distribuição  de  fosfatos foi independente da distância à costa e a concentração de nitratos foi sempre menor que o  limite de detecção do método. Relativamente à distribuição superficial de fitoplâncton, foi observada  maior  biomassa  numa  das  estações  mais  costeira,  visto  que  foi  provavelmente  a  primeira  a  ser  influenciada  pelas  descargas  do  rio  Zambeze  e,  consequentemente,  onde  maior  concentração  de  nutrientes  ficou  primeiramente  disponível  para  o  fitoplâncton.  O  único  grupo  de  fitoplâncton  com  diferente distribuição relativamente à biomassa fitoplanctónica foi o das Cianobactérias, para o qual  foram observadas maiores concentrações pigmentares na massa de água mais oceânica. 

No  que  respeita  a  dinâmica  vertical  estudada  ao  longo  de  48  horas,  as  correntes  de  maré  revelaram  ser  um  factor  crucial  para  as  variações  hidrológicas  decorrentes  na  coluna  de  água,  nomeadamente para o transporte horizontal e vertical da biomassa fitoplanctónica e para a variação  da  disponibilidade  de  nutrientes.  As  concentrações  de  nutrientes  obtidas  estão  de  acordo  com  resultados obtidos em outras zonas costeiras oligotróficas, contudo os rácios de nutrientes obtidos  (N:P e N:Si) foram extremamente baixos e fortemente influenciados pelas reduzidas concentrações  de nitratos + nitritos (N). As concentrações de N obtidas foram anormalmente baixas relativamente a  muitos  ecossistemas  costeiros,  contudo  semelhantes  a  alguns  estudos  obtidos  no  Oceano  Índico,  nomeadamente  na  Austrália  e  no  Quénia,  onde  o  N  desempenha  um  papel  crucial  como  factor  limitante  da  biomassa  fitoplanctónica.  Para  além  destas  concentrações  evidenciarem  o  estado  oligrotrófico do Banco de Sofala durante o período de amostragem, sugerem ainda a existência de  reduzidas descargas estuarinas para a zona costeira, o que é típico da época seca durante a qual foi  realizado este estudo. 

As  maiores  concentrações  de  pigmentos  fitoplanctónicos  foram  observadas  nas  maiores  profundidades amostradas (30 e 40 m), onde também foram registadas maiores concentrações de N.  Durante o decorrer do estudo, a comunidade fitoplanctónica foi dominada por microflagelados, mais  concretamente  por  microalgas  do  grupo  Prymnesiophyceae,  o  que  está  de  acordo  com  outros  estudos  em  regiões  oligotróficas  onde  a  dominância  de  microflagelados,  e  não  de  microplâncton  (diatomáceas e dinoflagelados), é habitualmente observada. De acordo com os resultados obtidos,  toda  a  comunidade  fitoplânctónica  distribuiu‐se  de  modo  similar  na  coluna  de  água  ao  longo  do 

(11)

espaço  de  tempo  considerado,  com  a  excepção  das  Cianobactérias  que  apresentaram  uma  distribuição vertical mais superficial. 

Relativamente  à  distribuição  do  zooplâncton,  foram  observadas  elevadas  densidades  junto  ao  fundo (30/40 m), onde as maiores concentrações de fitoplâncton foram também verificadas. Durante  o período nocturno foram registadas maiores densidades de zooplâncton nas camadas de água mais  superficiais  (<  10  m)  relativamente  aos  períodos  nocturnos,  o  que  evidencia  os  processos  de  migração vertical típicos das comunidades zooplanctónicas onde a variação da intensidade luminosa  desempenha  um  papel  crucial.  Contudo,  o  movimento  vertical  observado  envolveu  apenas  uma  pequena parte da abundância total de zooplâncton, visto que as maiores densidades observadas à  superfície durante a noite foram geralmente inferiores às densidades observadas no estratos mais  profundos (20/30 e 30/40 m). 

Relativamente  à  investigação  direccionada  especificamente  para  as  larvas  de  Herklotsichthys 

quadrimaculatus,  os  resultados  obtidos  evidenciaram  o  padrão  típico  de  migração  vertical  com 

periodicidade diária, realizando movimentos para a superfície e para o fundo durante o anoitecer e  amanhecer,  respectivamente.  Relativamente  à  variação  desta  dinâmica  vertical  em  função  das  variações ontogenéticas, os resultados obtidos evidenciam diferenças na posição vertical das larvas  em  função  do  período  do  dia  e  do  estádio  de  desenvolvimento.  As  larvas  em  estádios  de  desenvolvimento  mais  avançados  dominaram  a  massa  de  água  superficial  da  coluna  de  água  (neuston) durante a noite, enquanto que as larvas mais pequenas estiveram distribuídas na camada  de  água  subjacente  (0  –  20  m).  Durante  o  dia,  a  quantidade  de  larvas  presente  nos  estratos  amostrados foi quase nula, o que evidencia a agregação das larvas de H. quadrimaculatus junto ao  fundo (40 – 50 m), onde a penetração luminosa é muito reduzida e, consequentemente, o risco de  mortalidade associado a predadores visuais é baixo. 

A investigação realizada realça a importância dos processos físico‐químicos nas zonas costeiras e  o seu papel na dinâmica vertical das comunidades planctónicas. Este caso de estudo exemplifica os  processos  base  que  ocorrem  num  ecossistema  costeiro  tropical  onde  as  marés  e  as  descargas  estuarinas são factores importantes na dinâmica das comunidades biológicas presentes no plâncton.  Os resultados obtidos são então um exemplo dos ecossistemas costeiros do Oceano Índico Ocidental,  onde a dinâmica das comunidades planctónicas é ainda pouco conhecida e compreendida. 

Palavras‐chave:  Pigmentos  fitoplanctónicos;  Zooplâncton;  Estádios  larvares;  Herklostichthys 

(12)
(13)

Abstract 

Coastal  ecosystems  are  largely  influenced  by  the  interaction  of  several  factors  operating  at  various  temporal  and  spatial  scales,  specifically  those  responsible  for  primary  and  secondary  production processes that modulate marine resources. Hydrological processes (e.g. tides and coastal  currents),  nutrients  availability,  phytoplankton  groups,  zooplankton  and  larval  fish  (specifically  the  clupeid Herklotsichths quadrimaculatus) abundance and distribution were investigated at the Sofala  Bank  (Mozambique),  with  special  emphasis  on  their  horizontal  distribution  and  vertical  dynamics.  Horizontal distribution has shown onshore‐offshore gradients in all analysed parameters, as well as  inshore  waters  intrusion  probably  related  to  Zambezi  River  delta  runoff.  Tidal  currents  were  responsible  for  major  hydrological  vertical  variations  and  for  horizontal  and  vertical  advection  of  phytoplankton biomass in the surface and deepest layers, respectively. Nutrient concentrations were  typical from oligotrophic regions, and nutrient ratios were strongly influenced by depleted nitrite +  nitrate  concentrations,  suggesting  low  estuarine  discharges  typical  from  the  dry  season.  Both  phytoplankton pigments and zooplankton were found mainly near bottom (40 m deep), despite the  latter  displayed  vertical  migrations  triggered  by  light  variations.  Phytoplankton  community  was  dominated  by  microflagellates,  specifically  prymnesiophyceans,  and  vertical  distribution  changes  were  similar  for  the  whole  community.  Cyanobacteria  was  the  only  phytoplankton  group  that  displayed a different vertical distribution pattern, mainly concentrated at mid water column depths  (10  –  20  m).  Herklotsichthys  quadrimaculatus  larvae  displayed  typical  diel  vertical  migrations  and  were mainly distributed in the upper water column (0 – 20 m) during the night and almost absent  from all sampled strata during the day. Larger larvae dominated the neuston layer during the night  while  during  daylight  periods  remained  close  to  the  bottom.  This  investigation  enhances  the  importance  of  physico‐chemical  phenomena  determining  the  planktonic  communities  vertical  dynamics at a tropical coastal ecosystem of the Western Indian Ocean, where planktonic dynamics  are still poorly described and understood. 

Keywords:  Phytoplankton  pigments;  Zooplankton;  Fish  larvae;  Herklostichthys  quadrimaculatus; 

Diel vertical migration; Mozambique 

(14)
(15)

 

Acknowledgements  i

 

Resumo  iii

 

Abstract  vii 

 

CHAPTER 1 

General introduction  3

 

References  8 

 

CHAPTER 2 

11 

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique  13

 

Abstract  13

 

Introduction  14

 

Material and Methods  16

 

Results  18

 

Discussion  30

 

Conclusion  34

 

References  36 

 

CHAPTER 3 

41 

Vertical  dynamics  of  the  gold‐spot  herring  (Herklotsichthys  quadrimaculatus)  larvae  at  Sofala  Bank, 

Mozambique  43

 

Abstract  43

 

Introduction  43

 

Material and Methods  45

 

Results  46

 

Discussion  50

 

References  52 

 

(16)
(17)

 

 

 

 

 

(18)
(19)

General introduction 

Coastal ecosystems and planktonic communities 

Coastal  ecosystems  are  among  the  most  biologically  productive  environments  in  the  world,  providing  important  services  to  human  populations.  Their  existence  at  the  interface  between  the  terrestrial and marine environment exposes them to a wide variety of human and natural stressors  occurring at different spatial and time scales, which makes the coastal regions complex and dynamic  ecosystems (Kennedy et al., 2002). 

The  natural  stressors  occurring  in  the  coastal  marine  environments  are  typically  physical  and  chemical processes that differently affect biological communities, hence their population dynamics.  Some of the most important physical processes are winds, tides and coastal currents, which promote  water  mass  advection,  thus  spatial  and  temporal  variability  on  water  column  physico‐chemical  properties  (Epifanio  and  Garvine,  2001;  Lutjeharms,  2006;  Queiroga  et  al.,  2007).  The  interactions  between  physical  and  chemical  variations  induce  high  heterogeneity  on  coastal  shelf  waters,  specifically  near  river  deltas,  where  surface  and  river  runoff  together  with  tidal  currents  are  responsible  for  strong  hydrological  gradients  and  cyclic  variations  (e.g.  temperature  and  salinity),  clines  vertical  oscillation,  both  water  column  stratification  and  vertical  mixing  processes,  and  also  large nutrient inputs (Verity et al., 1993; Epifanio and Garvine, 2001; Wawrik et al., 2004; Silva et al.,  2008). 

Nutrient loadings into coastal ocean zones are from various sources and frequently associated to  human activities. Surface and river runoff, estuarine discharges and exchanges with the open ocean  are  commonly  the  source  and  sink  of  major  nutrients  inputs,  but  continental  shelf  sediments  and  respiration  associated  with  the  sediment  surface  photosynthesis  are  also  thought  to  be  important  nutrient sources and recycling (Wawrik et al., 2004; Wassmann and Olli, 2005, Giraud et al., 2008).  Additionally, potentially important sources of nutrients are atmospheric deposition and groundwater  discharges.  All  nutrient  inputs  to  coastal  zones,  together  with  the  diverse  physical  processes,  differently disturb coastal biological communities, and the most directly influenced are possibly from  the lower trophic levels (e.g. phyto‐ and zooplankton) (Cottingham, 1999; Tyrrell, 1999; Anderson et  al., 2002; Kennedy et al., 2002). 

(20)

Chapter 1 

 

thriving in coastal systems, strongly determining their abundance and distribution variations (Paula  et al., 1998; Cottingham, 1999; Calbet et al., 2001; Elliott et al., 2007). The small scale changes on  planktonic  communities  distribution  patterns  makes  them  particularly  sensitive  to  hydrological  variations,  presenting  a  great  variety  of  both  spatial  and  temporal  changes,  respectively  from  thin  water column layers to large‐scale gradients (e.g. onshore‐offshore, north‐south) and from hours to  seasons  (Verity  et  al.,  1993;  Paula  et  al.,  1998;  Gibson,  2001;  Walther  et  al.,  2002;  Balkis,  2003;  Brunet  and  Lizon,  2003;  Queiroga  et  al.,  2007;  Criales‐Hernández,  2008).  Accordingly,  these  variations  are  often  related  to  environmental  drivers,  particularly  the  preference  or  avoidance  to  particular  physico‐chemical  properties  and  hydrological  processes,  such  as  temperature,  salinity,  oxygen, light penetration, turbulence, currents and nutrients availability. 

Spatial and temporal variations of several planktonic organisms (e.g. phytoplankton, zooplankton  and invertebrate and fish larvae), specifically their vertical distribution, have been widely studied in  different  coastal  ecosystems,  due  to  their  importance  to  organic  matter  flows,  primary  and  secondary production, larval recruitment processes and population connectivity, among others (e.g.  Steinberg et al., 2002; Brunet and Lizon, 2003; Fiksen et al., 2007; Leis, 2007; Queiroga et al., 2007). 

Plankton vertical dynamics 

Vertical  migration  is  a  commonly  observed  phenomenon  in  many  species  of  freshwater  and  marine  plankton  and  occurs  at  a  variety  of  periods,  including  diel,  semi‐diel  and  also  tidal  periods  (Ohman, 1990; Hill, 1991; Epifanio and Garvine, 2001; Brunet and Lizon, 2003; Fiksen et al., 2007;  Queiroga  et  al.,  2007).  The  explanations  for  vertical  migration  may  include  predation  avoidance,  bioenergetic  advantages  and  regulation  of  horizontal  position.  The  hypothesis  of  a  predator  avoidance  mechanism  is  generally  accepted,  as  vertical  migration  often  results  when  prey  populations are under intense, selective pressures from visually dependent predators (e.g. Zaret and  Suffern, 1976; Irigoien et al., 2004). However, some contradictory cases show that predation is not  the only adaptive reason for vertical migration, and the attempt to provide only one hypothesis to  account for all observed vertical migrations represent a simplistic outlook on natural selection. Other  hypothesis  is  vertical  migration  as  a  bioenergetic  advantage,  resulting  of  a  compromise  between  reducing energy expenditure and mortality, taking advantage of feeding opportunities (e.g. Ohman,  1990;  Fiksen  et  al.,  2007).  The  other  common  hypothesis  to  planktonic  vertical  migration  is  the  horizontal  position  regulation.  These  communities  have  very  limited  capacity  for  horizontal  movements,  thus  position  control  by  vertical  migration  potentially  provides  a  means  to  affect  transport  to  specific  locations  or  to  promote  retention  in  particular  areas  (Hill,  1991;  Leis,  2007;  Queiroga et al., 2007). The integration of several hydrological and biological processes, such as tidal 

(21)

currents and behaviour, respectively, regulate dispersal, supply to coastal habitats and recruitment  of several planktonic organisms, specifically larval stages of fish and crustacean species (Hill, 1991;  Epifanio  and  Garvine,  2001;  Queiroga  et  al.,  2006;  Santos  et  al.,  2006).  Taking  into  account  the  several  theories  and  the  diversity  of  organisms  displaying  vertical  movements  there  should  be  variability among vertical migrations patterns, since the same vertical behaviour does not produce  the same optimum compromise between reduced mortality and energetic cost for different groups,  species  and  stages  (Ohman,  1990;  Epifanio  and  Garvine,  2001;  Irigoien  et  al.,  2004;  Leis,  2007).  Furthermore,  the  mortality  risks  for  each  organism  are  not  the  same  because  of  the  different  selectivity of predators. 

Different  vertical  distribution  and  diel  vertical  migration  (DVM)  can  be  found  among  plankton  communities,  from  phyto‐  to  zooplankton  and  also  invertebrate  and  fish  larvae.  Phytoplankton  vertical distributions may differ between day and night, indicating either migration or differences in  production/mortality  rates  (Hajdu  et  al.,  2007;  Brunet  et  al.,  2008).  Accordingly,  the  vertical  distribution  differences  found  on  previous  studies  are  mainly  triggered  by  light  requirements  and  nutrient  availability  in  different  water  column  layers.  However,  sinking  cells  and  water  exchange  ascribable to tidal currents and vertical mixing processes can easily bias results, since phytoplankton  cells  are  easily  advected  (Brunet  and  Lizon,  2003;  Hajdu  et  al.,  2007).  Furthermore,  additional  difficulties  arise  when  taking  into  account  phytoplankton  −  zooplankton  interactions,  specifically  grazing and nutrient regeneration, which affect phytoplankton abundance estimations (Vertiy et al.,  1993; Vrede et al., 1999). Zooplankton itself also displays vertical movements, both to predate and  avoid predators (Zaret and Suffern, 1976; Ohman, 1990). Accordingly, both normal and reverse DVM  are  found,  strongly  determined  respectively  by  diurnal  or  nocturnal  predators,  and  also  by  prey  distribution.  Besides  phyto‐  and  zooplankton,  invertebrate  and  fish  species  commonly  have  planktonic larval stages, which also display DVM (Epifanio and Garvine, 2001; Hare and Govoni, 2005;  Fiksen et al., 2007; Queiroga et al., 2007). Due to the importance of larval fish ecology to recruitment  success, thus to enhance fish stocks, special attention is given to larval fish vertical migration. 

Larval fish vertical dynamics 

The fact that most of coastal fish species have a pelagic larval stage has important implications for  the  dynamics  of  fish  populations  and  fisheries  management  (Leis,  2007).  Management  of  coastal  fishes  must  incorporate  the  scales  over  which  their  populations  are  connected  due  to  dispersal  processes  and  connectivity,  therefore  it  is  important  to  integrate  coastal  currents  knowledge  with 

(22)

Chapter 1 

 

larval  behaviour,  specifically  vertical  migration,  to  improve  our  understanding  of  larval  survival,  growth and dispersal (Fiksen et al., 2007). 

Larval  fish  vertical  migration  is  strongly  determined  by  several  factors  (e.g.  predator/prey  interactions,  bioenergetics  and  mortality,  dispersal  processes  and  connectivity)  and  much  of  the  existent  knowledge  was  obtained  from  studies  focusing  clupeid  species,  since  its  importance  to  fisheries and human populations (e.g. Reid, 2001; Santos et al., 2006; Voss et al., 2007). Clupeid larval  stages  usually  feed  on  several  planktonic  species  and  are  strongly  predated  by  visual  predators,  namely  adult  fishes  (Aksnes  et  al.,  2004;  Fiksen  et  al.,  2007).  Therefore,  during  day  and  night  different  depth  distributions  are  usually  observed,  in  order  to  minimize  mortality  rates  without  ignoring feeding requirements. Furthermore, according to the larval stage, different vertical positions  are observed, since larvae depend upon different coastal currents to disperse and recruit (Hare and  Govoni,  2005;  Fiksen  et  al.,  2007).  Once  more,  different  DVM  patterns  are  observed  for  different  species and larval stages. For example, Hare and Govoni (2005), for species that moved inshore or  remained on the shelf, found that larvae were in deeper positions in the water column than larval  from  species  that  were  exported  from  the  shelf.  Santos  et  al.  (2006)  found  that  sardine  larvae  vertical  position  was  strongly  associated  to  coastal  currents,  retaining  the  larvae  in  high  food  availability  layers.  The  knowledge  of  how  much  energy  planktonic  species,  specifically  fish  larvae,  invest  on  predation  risk  and  feeding  opportunities  help  us  to  understand  their  ecology  and  life  history strategies, as indicators of how much do adults invest in larval stages hence, offspring quality  (Fiksen et al., 2007). 

Work context 

The work developed during this thesis constituted a special study as part of the oceanographic  campaign  “Ecosystem  Survey  Mozambique  2007”  of  the  wider  Nansen  EAF  Programme  “Strengthening  the  Knowledge  Base  for  and  Implementing  and  Ecosystem  Approach  to  Marine  Fisheries in Developing Countries”. Sampling was made onboard the R/V “Dr. Fridtjof Nansen” and  took place at the Sofala Bank, a wide shallow shelf influenced by the Zambezi River delta and other  estuaries,  and  where  the  most  important  national  fisheries  occur.  Besides  important  surface  and  river runoff discharges, strong tidal currents and currents from the Mozambique Channel have major  effects  on  hydrological  and  occurring  ecological  processes  (Ridderinkhof  et  al.,  2001;  Lutjeharms,  2006). 

Studies  from  Sofala  Bank  are  very  scarce  and  only  cruise  and  fisheries  reports  can  be  found  (Bandeira  et  al.,  2002,  and  references  therein).  It  is  known  that  this  neritic  region  has  high  phytoplankton  biomass  comparing  to  the  greater  part  of  the  Mozambican  oligotrophic  waters, 

(23)

mainly  because  of  the  nutrient  input  from  the  Zambezi  river  runoff,  which  enhances  the  system  productivity  and  supports  local  fisheries  (Gammelsrød,  1992;  Lutjeharms,  2006).  Therefore,  Sofala  Bank is an excellent case study to understand the nutrients, phytoplankton, zooplankton and larval  fish dynamics in relation to the coastal currents and physico‐chemical environmental variability. 

Several studies identified tidal energy, light and diel variations as key factors regulating planktonic  communities  vertical  distribution  and  diel  changes  (Hill,  1991;  Queiroga  et  al.,  2007;  Brunet  et  al.,  2008). At Sofala Bank, the tidal currents and estuarine discharges may strongly determine nutrients  availability  and  water  column  light  penetration  due  to  increased  turbidity,  thus  affecting  base  processes  that  modulate  planktonic  communities  dynamics.  Stratification  of  the  water  column,  strongly condition the effectiveness of primary production magnitude at the surface layer and may  act as a barrier to vertical movements of zooplankton (Criales‐Hernández et al., 2008). However, due  to the strong local tidal currents, vertical mixing might locally induce homogenization of the water  column.  The  investigation  of  tidal  and  diel  variations  and  other  regulating  factors  is  therefore  important  to  understand  fundamental  ecological  processes  that  act  in  generating  primary  productivity and modulate resources supporting intense local fisheries activity. 

Concerning  larval  fish  dynamics,  despite  numerous  worldwide  studies  on  a  great  variety  of  species, specifically clupeids, none focused on the tropical herring Herklotsichthys quadrimaculatus   (Rüppell  1837),  also  known  as  the  gold‐spot  herring.  This  species  is  a  major  component  of  tuna  baitfish  (Lewis,  1990)  and  consumed  by  local  coastal  communities  at  the  Eastern  Africa  (KMFRI,  1981).  At  Mozambique,  H.  quadrimaculatus  is  broadly  present  on  the  coastal  zone,  namely  at  the  Sofala  Bank  (INIPM,  unpublished  data).  Knowledge  of  Herklotsichthys  spp.  larvae  is  very  scarce  (Thorrold  and  Williams,  1989),  and  for  H.  quadrimaculatus  from  the  Western  Indian  Ocean  only  Harris  and  Cyrus  (1999)  described  its  high  abundance  throughout  the  year  near  Durban  (South  Africa).  The  vertical  distribution  and  behaviour  is  still  unknown  for  H.  quadrimaculatus  and  information  regarding  ontogenic  changes  on  depth  distribution  throughout  diel  variations  are  still  missing. Furthermore, the hydrological unique properties of Sofala Bank may change the influence of  typical factors regulating larvae vertical dynamics (e.g. light and currents variations). Tidal energy and  vertical  mixing,  as  well  as  other  local  oceanographic  features,  could  therefore  have  a  major  role  determining H. quadrimaculatus larvae vertical distribution and diel movements. 

The  scientific  papers  presented  point  toward  a  broadly  understanding  of  the  planktonic  communities  vertical  dynamics.  The  first  one  (submitted  to  Estuarine,  Coastal  and  Shelf  Science) 

(24)

Chapter 1 

 

investigates the horizontal and vertical oceanographic and planktonic processes at the Sofala Bank  shelf waters, specifically aimed to study currents, physico‐chemical water properties (temperature,  salinity and nutrients), phytoplankton pigments as chemotaxonomic markers and zooplankton. The  second  paper  (submitted  to  African  Journal  of  Marine  Science)  is  a  specific  study  of  fish  larvae  vertical dynamics, aimed to study the vertical distribution movements of H. quadrimaculatus larvae,  its  relation  to  several  hydrological  and  biological  factors  (e.g.  light  variation,  vertical  mixing  and  zooplankton abundance) and also vertical distribution changes according to larval ontogeny. 

 

References 

Aksnes,  D.L.,  Nejstgaard,  J.,  Soedberg,  E.,  Sørnes,  T.,  2004.  Optical  control  of  fish  and  zooplankton  populations. Limnology Oceanography 49, 233‐238. 

Anderson,  D.M.,  Glibert,  P.M.,  Burkholder,  J.M.,  2002.  Harmful  Algal  Blooms  and  Eutrophication:  Nutrient Sources, Composition, and Consequences. Estuaries 25, 704‐726. 

Balkis, N., 2003. Seasonal variations in the phytoplankton and nutrient dynamics in the neritic water  of Büyükçekmece Bay, Sea of Marmara. Journal of Plankton Research 25, 703‐717. 

Bandeira,  S.O.,  Silva,  R.P.,  Paula,  J.,  Macia,  A.,  Hernroth,  L.,  Guissamulo,  A.T.,  Gove,  D.Z.,  2002.  Marine Biological Research in Mozambique: Past, Present and Future. AMBIO 31, 606‐609.  Brunet,  C.,  Lizon,  F.,  2003.  Tidal  and  diel  periodicities  of  size‐fractionated  phytoplankton  pigment 

signatures  at  an  offshore  station  in  the  southeastern  English  Channel.  Estuarine,  Coast  and  Shelf Science 56, 833‐843. 

Brunet,  C.,  Gasotti,  R.,  Vantrepotte,  V.,  2008.  Phytoplankton  diel  and  vertical  variability  in  photobiological responses at a coastal station in the Mediterranean Sea. Journal of Plankton  Research 30, 645‐654. 

Calbet,  A.,  Garrido,  S.,  Saiz,  E.,  Alcaraz,  M.,  Duarte,  C.M.,  2001.  Annual  zooplankton  succession  in  coastal  NW  Mediterranean  waters:  the  importance  of  the  smaller  size  fractions.  Journal  of  Plankton Research 23, 319‐331. 

Cottingham,  K.L.,  1999.  Nutrients  and  zooplankton  as  multiple  stressors  of  phytoplankton  communities: Evidence from size structure. Limnology Oceanography 44, 810‐827. 

Criales‐Hernández,  M.I.,  Schwamborn,  R.,  Graco,  M.,  Ayón,  P.,  Hirche,  H.J.,  Wolf,  M.,  2008.  Zooplankton  vertical  distribution  and  migration  off  Central  Peru  in  relation  to  the  oxygen  minimum layer. Helgoland Marine Research 62, S85‐S100 

Elliott, M., Burdon, D., Hemingway, K.L., Apitz, S.E., 2007. Estuarine, coastal and marine ecosystem  restoration:  Confusing  management  and  science  –  A  revision  of  concepts.  Estuarine,  Coastal  and Shelf Science 74, 349‐366. 

Epifanio,  C.E.,  Garvine,  R.W.,  2001.  Larval  Transport  on  the  Atlantic  Continental  Shelf  of  North  America: a Review. Estuarine, Coastal and Shelf Science 52, 51‐77. 

Fisken, Ø., Jørgensen, C., Kristiansen, T., Vikebø, F., Huse, G., 2007. Linking behavioural ecology and  oceanography:  larval  behaviour  determines  growth,  mortality  and  dispersal.  Marine  Ecology  Progress Series 347, 195—205. 

(25)

Relation to the Zambezi River Runoff. Estuarine, Coastal and Shelf Science 35, 91‐103. 

Gibson, R.N., 2001. Go with the flow: tidal migration in marine animals. Hydrobiologia 503, 153‐161.  Giraud,  X.,  Quéré,  C.L.,  Cunha,  L.C.,  2008.  Importance  of  coastal  nutrient  supply  for  global  ocean 

biogeochemistry. Global Biogeochemical Cycles, 22, GB2025. 

Hajdu, S., Höglander, H., Larsson, U., 2007. Phytoplankton vertical distributions and composition in  Baltic Sea cyanobacterial blooms. Harmful Algae 6, 189‐205. 

Hare, J.A., Govoni, J.J., 2005. Comparison of average larval fish vertical distributions among species  exhibiting  different  transport  pathways  on  the  southeast  United  States  continental  shelf.  Fisheries Bulletin 103, 728—736. 

Harris, S.A., Cyrus, D.P., 1999. Composition, abundance and seasonality of fish larvae in the mouth of  Durban harbour, Kwazulu‐Natal, South Africa. Sout African Journal of Marine Science 21, 19— 39. 

Hill, A.E., 1991. Vertical migration in tidal currents. Marine Ecology Progress Series 75, 39‐54. 

Irigoien,  X.,  Conway,  D.V.P.,  Harris,  R.P,  2004.  Flexible  diel  vertical  migration  behaviour  of  zooplankton in the Irish Sea. Marine Ecology Progress Series 267, 85‐97. 

K.M.F.R.I., 1981. Aquatic Resources of Kenya. Proc. of the Workshop of Kenya Marine and Fisheries  Research Institute, July 13‐19. 

Kennedy,  V.S.,  Twilley,  R.R.,  Kleypas,  J.A.,  Cowan,  J.H.,  Hare,  S.R.,  2002.  Coastal  and  marine  ecosystems  &  Global  climate  change  –  Potential  Effects  on  U.S.  Resources.  PEW  Center  on  Global Climate Change. 

Leis, J.M, 2007. Behaviour as input for modelling dispersal of fish larvae: behaviour, biogeography,  hydrodynamics,  ontogeny,  physiology  and  phylogeny  meet  hydrography.  Marine  Ecology  Progress Series 347, 185‐193. 

Lewis, A.D., 1990. Tropical south Pacific tuna baitfisheries. In: Blaber, S.J.M., Copland, J.W. (Editors)  Tuna baitfish in the Indo‐Pacific region. Aust. Coun. Int. agr. Res. Proc. 30, 10—21. 

Lutjeharms,  J.R.E.,  2006.  The  costal  oceans  of  south‐eastern  Africa.  In:  A.R.  Robinson,  K.H.  Brink  (Editors) The Sea Vol 14. Harvard University Press, Cambridge, MA, pp. 783‐834.  Ohman, M.D., 1990. The Demographic Benefits of Diel Vertical Migration by Zooplankton. Ecological  Monographs 60, 257‐281.  Paula, J., Pinto, I., Guambe, I., Monteiro, S., Gove, D., Guerreiro, J., 1998. Seasonal cycle of planktonic  communities at Inhaca Island, southern Mozambique. Journal of Plankton Research 20, 2165‐ 2178.  Queiroga, H., Almeida, M.J., Alpuim, T., Flores, A.A.V., Francisco, S., Gonzàlez‐Gordillo, I., Miranda,  A.I.,  Silva,  I.,  Paula,  J.,  2006.  Tide  and  wind  control  of  megalopal  supply  to  estuarine  crab  populations on the Portuguese west coast. Marine Ecology Progress Series 307, 21‐36. 

Queiroga,  H.,  Cruz,  T.,  dos  Santos,  A.,  Dubert,  J.,  González‐Gordillo,  J.I.,  Paula,  J.,  Peliz,  A.,  Santos,  A.M.P., 2007. Oceanographic and behavioural processes affecting invertebrate larval dispersal  and supply in the western Iberia upwelling ecosystem. Progress in Oceanography 74, 174‐191.  Reid,  D.G.,  2001.  SEFOS  –  shelf  edge  fisheries  and  oceanography  studies:  an  overview.  Fisheries 

Research 50, 1—15. 

Ridderinkhof,  H.,  Lutheharms,  J.R.E.,  Ruijter,  W.P.M.,  2001.  A  research  cruise  to  investigate  the  Mozambique Current. South African Journal of Science 97, 461‐464. 

(26)

Chapter 1 

 

10 

Santos, A.M.P., Ré, P., Dos Santos, A., Péliz, A., 2006. Vertical distribution of the European sardine  (Sardina plichardus) larvae and its implications for their survival. Journal of Plankton Research  28, 523—532. 

Silva,  A.,  Mendes,  C.R.,  Palma,  S.,  Brotas,  V.,  2008.  Short‐time  scale  variation  of  phytoplankton  succession in Lisbon bay (Portugal) as revealed by microscopy cell counts and HPLC pigment  analysis. Estuarine, Coastal and Shelf Science 79, 230‐238. 

Steinberg, D.K., Goldthwait, S.A., Hanself, D.A., 2002. Zooplankton vertical migration and the active  transport of dissolved organic and inorganic nitrogen in the Sargasso Sea. Deep‐Sea Research  49, 1445‐1461. 

Thorrold,  S.R.,  Williams,  D.M.,  1989.  Analysis  of  Otolith  Microstructure  to  Determine  Growth  Histories in Larval Cohorts of a Tropical Herring (Herklotsichthys castelanaui). Canadian Journal  Fisheries Aquatic Sciences 46, 1615—1624. 

Tyrrell, T., 1999. The relative influences of nitrogen and phosphorus on oceanic primary production.  Nature 400, 525‐531. 

Verity, P.G., Yoder, J.A., Bishop, S.S., Nelson, J.R., Craven, D.B., Blanton, J.O., Robertson, C.Y., Tronzo,  C.R.,  1993.  Composition,  productivity  and  nutrient  chemistry  of  a  coastal  ocean  planktonic  food web. Continental Shelf Research 13, 741‐776. 

Voss,  R.,  Schmidt,  J.O.,  Schnack,  D.,  2007.  Vertical  distribution  of  Baltic  sprat  larvae:  changes  in  patterns of diel migration?. ICES Journal Marine Science, 64. 

Vrede,K., Vrede, T., Isaksson, A., Karlsson, A., 1999. Effects of nutrients (phosphorus, nitrogen, and  carbon)  and  zooplankton  on  bacterioplankton  and  phytoplankton  –  a  seasonal  study.  Limnology Oceanography 44, 1616‐1624. 

Walther,  G.‐R.,  Post,  E.,  Convey,  P.,  Menzel,  A.,  Parmesan,  C.,  Beebee,  T.J.C.,  Fromentin,  J.‐M.,  Hoegh.Guldberg, O., Bairlein, F., 2002. Ecological responses to recent climate change. Nature  416, 389‐395. 

Wassmann,  P.,  Olli,  K.,  2005.  Drainage  basin  nutrient  inputs  and  eutrophication:  an  integrated  approach. University of Tromsø, Norway, 325 pp. 

Wawrik, B., Paul, J.H., Bronk, D.A., John, D., Gray, M., 2004. High rates of ammonium recycling drive  phytoplankton productivity in the offshore Mississippi River plume. Aquatic Microbial Ecology  35, 175‐184. 

Zaret,  T.M.,  Suffern,  J.S.,  1976.  Vertical  migration  in  zooplankton  as  a  predator  avoidance  mechanism. Limnology Oceanography 21, 804‐813. 

 

 

(27)

 

 

 

 

 

 

(28)
(29)

Distribution  and  vertical  dynamics  of  planktonic  communities  at 

Sofala Bank, Mozambique 

M. C. Leal

1

, C. Sá

2

, S. Nordez

3

, V. Brotas

2

, J. Paula

1

 

1 Centro de Oceanografia, Laboratório Marítimo da Guia, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, 

Av. Nª Senhora do Cabo, 939, 2759‐374 Cascais, Portugal 

2  Centro  de  Oceanografia,  Instituto  de  Oceanografia,  Faculdade  de  Ciências  da  Universidade  de  Lisboa, 

Campo Grande, 1749‐016 Lisboa, Portugal 

3  Instituto  de  Investigação  Pesqueira  de  Moçambique,  Av.  Mao  Tse‐Tung  nº  389,  Maputo,  C.  P.  4603 

Moçambique 

Abstract 

Coastal  ecosystem  processes  are  largely  influenced  by  the  interaction  of  different  factors  operating  at  various  temporal  and  spatial  scales,  specifically  those  responsible  for  primary  production  patterns  that  modulate  zooplankton  and  subsequent  trophic  levels.  Hydrological  processes, such as tidal cycles and coastal currents, nutrients availability, phytoplankton groups  (studied  through  algal  pigment  signatures  analysed  by  HPLC)  and  zooplankton  abundance  and  distribution were investigated at the Sofala Bank (Mozambique), with special emphasis on their  horizontal  distribution  and  vertical  dynamics  (48‐hour).  Horizontal  distribution  has  shown  onshore‐offshore  gradients  in  all  analysed  parameters,  as  well  as  inshore  waters  intrusion  probably  related  to  Zambezi  River  delta  runoff.  Tidal  currents  were  responsible  for  major  hydrological  vertical  variations  and  for  horizontal  and  vertical  advection  of  phytoplankton  biomass  in  the  surface  and  deepest  layers,  respectively.  Nutrient  concentrations  were  typical  from  oligotrophic  regions,  and  nutrient  ratios  were  strongly  influenced  by  depleted  nitrite  +  nitrate concentrations, suggesting low estuarine discharges typical from the dry season. The very  low  N:P  ratio  obtained,  suggests  strong  nitrogen  limitation  to  phytoplankton  communities,  supporting  the  low  phytoplankton  abundance  observed.  Both  phytoplankton  pigments  and  zooplankton  were  found  mainly  near  bottom  (40  m  deep),  despite  the  latter  displayed  vertical  migrations  triggered  by  light  variations.  Phytoplankton  community  was  dominated  by  microflagellates, specifically prymnesiophyceans, and behaved as a whole, except Cyanobacteria  that displayed vertical distribution movements different from other phytoplankton groups, being  mainly  concentrated  at  mid  water  column  depths  (10  –  20  m).  This  investigation  enhances 

(30)

Chapter 2 

 

14 

physico‐chemical  phenomena  and  their  importance  determining  the  planktonic  communities  vertical dynamics at a tropical coastal ecosystem of the Western Indian Ocean, where planktonic  dynamics are still poorly described and understood. 

Keywords:  Phytoplankton;  Pigments;  Zooplankton;  Vertical  dynamics;  Nutrient  deficiency; 

Mozambique   

Introduction 

Coastal  shelf  waters  are  ecosystems  of  great  human  and  ecological  interest  where  complex  processes  occur.  The  interaction  of  physical  (e.g.  coastal  currents,  upwelling,  tides,  advection),  chemical  (variable  chemical  properties  including  nutrient  inputs)  and  ecological  (e.g.  biological  production and its dynamics, prey/predator interactions) processes induce high spatial variability  on  the  water  column  over  different  time  scales  (Brunet  and  Lizon,  2003;  Lutjeharms,  2006;  Queiroga  et  al.,  2007).  This  variability  determines  the  abundance  and  structure  of  different  biological communities present in coastal waters, specifically phyto‐ and zooplankton as oceanic  food  chain  lower  levels.  Zooplankton  abundance  and  distribution  is  often  related  to  predator/prey  interactions,  as  a  prey  for  both  planktivorous  fishes  and  some  planktonic  larvae,  and  as  consumers  of  phytoplankton  organisms  (e.g.  González‐Gordillo  and  Rodríguez,  2003;  Santos et al., 2006). Phytoplankton is therefore regulated by zooplankton and fish herbivory, but  also  by  nutrients  availability,  mainly  nitrogen,  phosphate  and  silica  (Vanni,  1987;  Svensson  and  Stenson, 1991; Garnier and Cugier, 2004). The relation between the different nutrient ratios and  phytoplankton in coastal systems has been widely studied, and nitrogen generally plays a key role  limiting  phytoplankton  growth  thus  strongly  determining  its  community  structure  and  chemotaxonomic pigment composition (Hecky and Kilham, 1988; Tyrrell, 1999). 

The  present  study  took  place  at  the  Sofala  Bank  (Mozambique),  a  wide  shallow  shelf  influenced by the Zambezi River delta and other estuaries, and where important fisheries occur.  Besides  important  river  runoff  discharges,  strong  tidal  currents  and  currents  from  the  Mozambique  Channel  have  major  effects  on  hydrological  and  occurring  ecological  processes  (Ridderinkhof  et  al.,  2001;  Lutjeharms,  2006).  Even  though  the  high  importance  of  this  coastal  ecosystem for Mozambican fisheries and economy, studies from Sofala Bank are very scarce and  only cruise and fisheries reports can be found (Bandeira et al., 2002, and references therein). This  neritic region has high phytoplankton biomass comparing to the greater part of the Mozambican  oligotrophic waters, mainly because of the nutrient input from the Zambezi river runoff, which is 

(31)

closely  related  to  rainfall  events  (Lutjeharms,  2006).  Hence,  despite  that  hydrological  and  planktonic dynamics of several temperate coastal ecosystems are already studied (e.g. Verity et  al.,  1993;  Balkis,  2003;  Sabetta  et  al.,  2008;  Silva  et  al.,  2008),  Sofala  Bank  is  an  excellent  case  study  to  understand  the  nutrients,  phytoplankton  and  zooplankton  dynamics  in  relation  to  the  physico‐chemical  environmental  variability  of  a  tropical  coastal  ecosystem  from  the  Western  Indian Ocean, where scientific knowledge is very scarce. 

Several studies identified tidal energy, light and diel variations as key factors changing neritic  planktonic  vertical  distribution  (Hill,  1991;  Queiroga  et  al.,  2007;  Brunet  et  al.,  2008).  At  Sofala  Bank,  the  strong  tidal  currents  and  estuarine  discharges  may  strongly  determine  nutrients  availability  and  water  column  light  penetration  due  to  increased  turbidity,  thus  affecting  base  processes  that  modulate  planktonic  communities  dynamics.  Stratification  of  the  water  column,  specifically  the  pycnocline  depth  and  its  strength,  condition  the  effectiveness  of  primary  production  magnitude  at  the  surface  layer  and  may  act  as  a  barrier  to  vertical  movements  of  zooplankton (Criales‐Hernández et al., 2008). However, due to the strong local tidal currents it is  probable  that  vertical  mixing  locally  induces  homogenization  of  the  water  column.  The  investigation  of  tidal  and  diel  variations  and  other  regulating  factors  is  therefore  important  to  understand fundamental ecological processes that act in generating high primary productivity and  modulate resources supporting intense local fisheries activity. 

This  study  was  a  special  study  as  part  of  the  2007  campaign  “Strengthening  the  Knowledge  Base for and Implementing and Ecosystem Approach to Marine Fisheries in Developing Countries”  of the Nansen EAF Programme, and its main goal was to investigate the horizontal and vertical  oceanographic  and  planktonic  processes  in  the  Sofala  Bank  shelf  waters,  specifically  the  horizontal  distribution  and  vertical  temporal  variation  of  (1)  hydrological  processes  and  parameters, (2) nutrients concentration, (3) phytopigments composition and abundance and (4)  zooplankton abundance along the water column.         

(32)

Chapter 2 

 

16 

Material and Methods 

Sampling 

The study area was located at the Sofala Bank, in front of the Zambezi river delta. Sampling  took place on board the R/V Dr. Fridtjof Nansen from the 6th to the 8th December 2007, covering 

in the first 24 hours a total of 11 stations distributed along three transects (Fig. 1), from a bottom  depth of 24 to 374 m, and the outermost stations separated by 60 km. Their position was set as to  characterize the shelf section where the fixed station sampling was carried out in the following  48‐hour period. The fixed station was positioned over a bottom depth of 50 m and samples were  taken every 2 h. 

Fig.  1.  Radial  and  fixed  stations  location.  Both  radial  ()  and  fixed  stations  ()  are  presented  and  the  arrows indicate sampling order. 

Current  magnitude  and  direction  were  measured  with  a  hull‐mounted  Acoustic  Doppler  Current Profiler (ADCP) and transparency (m) using a Sechi Disk. At every radial and fixed station,  CTD  profiles  were  conducted  and  temperature,  salinity  and  fluorescence  (used  as  a  proxy  of  chlorophyll  a)  data  recorded  at  every  1  m  depth  interval.  Water  samples  were  taken  at  five  predetermined  depths  (5,  10,  20,  30  and  40  m),  except  for  shallower  stations,  using  a  rosette  equipped  with  Niskin  bottles.  Immediately  after  collection,  two  replicates  of  100  ml  were  collected  and  stored  frozen  for  posterior  nutrient  analysis  (nitrate  +  nitrite,  phosphate  and  silicate).  For  HPLC  pigment  analysis,  two  litres  of  seawater  were  immediately  filtered  through  glass fibre filters (25 mm φ, 0.7 µm pore ‐  Whatman GF/F) and filters were kept frozen in the dark  for posterior analysis. 

(33)

Depth‐stratified  zooplankton  samples  (0‐5,  5‐10,  10‐20,  20‐30  and  30‐40  m)  were  collected  with  a  multinet  (Midi  model,  0.5  x  0.5  m  mouth  size,  Hydro‐bios)  with  405  µm  mesh  size  and  towed at ~2 knots for 2 min, sampling on oblique hauls in each stratum. Flow rate was monitored  by  a  flowmeter  mounted  in  the  mouth  of  the  aperture,  and  each  sample  represented  approximately 40 m3 of water filtered. A neuston net (0.2 x 1.0 m mouth size) with the same mesh 

size  and  a  flowmeter  mounted  was  towed  horizontally  at  similar  speed  and  time,  sampling  the  upper 20 cm of the water column. All zooplankton samples were preserved in 4% borax‐buffered  formaldehyde, prepared using seawater. 

Laboratory procedures 

All the laboratory procedures were done at the Oceanography Centre of University of Lisbon,  Portugal.  Colorimetric  analyses,  with  a  Tecator  FIAstarTM  5000  Analyser,  were  performed  to  determine nutrient concentrations. Nitrite (NO2‐), nitrate (NO3‐), phosphates (PO43‐, hereafter as 

P)  and  silicates  (Si(OH)4,  hereafter  as  Si)  were  respectively  determined  according  to  Grasshoff 

(1976),  Bendshneider  and  Robison  (1952),  Murphey  and  Riley  (1962),  and  Faning  and  Pilson  (1973). Since water properties from this region are typically oligotrophic (Lutjeharms, 2006), the  nitrite and nitrate sum was used (NO2‐ + NO3‐, hereafter as N). 

The identification and abundance of phytoplankton functional groups can be achieved by high  performance liquid chromatography (HPLC) analytical technique, which is increasingly in use as it  is  a  less  time  consuming  method  in  relation  to  microscopy  phytoplankton  identification  and  counting.  HPLC  quantifies  chemotaxonomic  pigments  allowing  to  estimate  the  contribution  of  phytoplankton  groups  to  chlorophyll  a  (Chl  a)  using  photosynthetic  marker  pigments,  such  as  alloxanthin for cryptophytes, 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin for prymnesiophyceans, and other less  specific biomarkers such as fucoxanthin for diatoms (also present in chrysophytes) and zeaxanthin  for  cyanobacteria  (also  present  in  green  algae),  among  others  (Jeffrey  et  al.,  1997).  In  order  to  extract  photosynthetic  pigments,  frozen  filters  were  disrupted  with  2  ml  of  95%  cold‐buffered  methanol (2% ammonium acetate) for 30 min at ‐20º C in the dark. Samples were sonicated for 1  min in the beginning of the extraction period and then centrifuged at 4000 rpm for 15 min, at 4º  C. Extracts were filtered (Millipore membrane filters, 0.2 µm) immediately before injection in the  HPLC  to  remove  cell  and  filter  debris.  Pigment  extracts  were  analysed  using  a  Shimadzu  HPLC  comprised  of  a  solvent  delivery  module  (IC‐10ADVP)  with  system  controller  (SCL‐10AVP)  and  a  photodiode  array  (SPD‐M10ADVP).  The  chromatographic  separation  of  pigments  was  achieved 

(34)

Chapter 2 

 

18 

using the method described in Zapata et al. (2000), which uses a monomeric OS C8 column and a 

mobile  phase  constituted  by  two  solutions:  methanol:acetonitrile:aqueous  pyridine  and,  acetonitrile:acetone;  a  flow  rate  of  1  mL  min‐1  and  a  run    duration  of  40  min.  Pigments  were 

identified  by  comparison  of  retention  times  and  absorption  spectra  with  pure  crystalline  standards. 

Biovolume,  using  sedimentation  volumes  with  a  conical  jar  and  24  h  settling  time,  was  measured to assess zooplankton abundance, estimated through planktonic organisms larger than  405  µm.  Large  gelatinous  organisms  (e.g.  jelly  fish)  were  removed  because  their  significant  buoyancy makes the method less precise (Postel et al., 2000). 

Statistical analysis 

In order to test for cyclic phenomena in the variation of the different parameters and their co‐ variations,  autocorrelations  and  linear  cross‐correlations  were  performed.  Significant  autocorrelations  with  a  2  h  lag  were  analysed  considering  the  2‐hour  sampling  periodicity.  Spearman correlation and Student’s t‐test were applied. The study of phytoplankton community  was  done  through  the  analysis  of  chemotaxonomic  pigments  and  their  ratios  to  Chl  a.  Furthermore, the Fp pigment index (Claustre, 1994) was calculated in order to identify the trophic  status of this marine ecosystem. The Fp pigment index is given by:  Fp = (Σ fucoxanthin + Σ peridinin) x (Σ fucoxanthin + Σ peridinin + Σ 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin  + Σ 19’‐butanoyloxyfucoxanthin + Σ zeaxanthin + Σ chlorophyll b + Σ alloxanthin) ‐1   All the statistical analyses were carried out using R (R Development Core Team, 2008) while  maps for display horizontal distributions were processed using Ocean Data View (Schlitzer, 2008).   

Results 

Horizontal distribution patterns 

The horizontal variations of hydrological data evidenced the onshore‐offshore gradients (Fig.  2A  and  B).  Despite  the  complex  pattern  of  temperature  and  salinity  distribution,  the  lowest  temperatures  were  found  in  the  most  onshore  stations  and  generally  lower  salinities  were  associated  to  warmer  temperatures.  However,  the  more  coastal  water  mass  showed  higher  salinity and lower temperature that the central water mass. Examining the vertical sections of the 

(35)

northern and southern transects (Fig. 3), a central less saline water mass with higher temperature  was observed only at the surface layers, until 20 m deep. Despite the halocline of this structure  was noticeable, vertical temperature profile was stratified along the water column.    Fig. 2. Surface distribution of salinity (A) temperature (B, ºC), phosphates (C, µmol l‐1), silicates (D, µmol l‐1),  total chlorophyll a (E, fluorescence data) and zeaxanthin (F, µg l‐1).   

(36)

Chapter 2 

 

20 

 

Fig.  3.  Vertical  cross‐section  of  the  northern  (A)  and  southern  (B)  transect  perpendicular  to  shore,  as  regards to salinity (1), temperature (2, ºC) and total chlorophyll a (3, fluorescence data) variation. 

Concerning  nutrients  concentration,  P  was  higher  in  the  northern  transect  and  Si  concentration was higher near coast (Fig. 2C and D), while N was always under method detection  limit (< 0.005 µmol l‐1). Shelf vertical cross sections of P concentration presented no vertical trend, 

while  for  S  higher  concentrations  on  surface  onshore  water  mass  were  observed  (data  not  shown).  Phytoplankton  pigments  presented  very  low  concentrations  in  almost  every  radial  station, with a distribution pattern similar to fluorescence data, where the southern and closest  stations to the coast presented higher biomass signal, with a lowering gradient perpendicular to  coast (Fig. 2E), and no different pigment composition at the central water mass. Vertical sections  of the outermost transects displayed different phytoplankton distributions given by fluorescence  signal  (Fig.  3),  with  higher  biomass  on  surface  water  mass  nearer  to  coast  on  the  southern  transect,  while  in  the  northern  transect  higher  values  were  obtain  near  the  bottom,  where  a  discontinuity  occurs.  Zeaxanthin  concentration  was  the  only  pigment  with  a  different  spatial  distribution,  since  higher  concentrations  were  observed  in  the  most  northern  and  offshore  stations (Fig. 2F). Zooplankton total abundance was generally higher in the northern transect (Fig.  4),  apart  from  the  most  offshore  station  where  total  biovolume  was  extremely  low,  which  was  also  observed  in  the  other  transects.  The  majority  of  night  sampled  stations  (two  northern  transects) presented higher total zooplankton abundances than day stations. 

(37)

  Fig. 4. Horizontal distribution of zooplankton water column total abundance.   

Vertical dynamics 

Current direction and magnitude measurements were very similar throughout water column  and results observed were in accordance with tidal variation (Table 1). Current direction varied  mainly between South and West, respectively during flooding and ebbing tides, and speed was  significantly higher during flood tides (t value = ‐ 4.7042, p < 0.01), with average current of 252  and  202  mm  s‐1, respectively  for  flood  and  ebb  tides.  Minimum  velocity  values  observed  were 

coincident  with  predicted  tides  at  Chinde,  near  the  Zambezi  delta  (Fig.  5),  thus  showing  no  significant  delay  to  the  sampling  area.  Current  direction  was  similar  in  all  sampling  depths  throughout the 48‐hour sampling period and the residual currents were generally over 150 mm s‐1  from South. However, current speed presented vertical variation without apparent consistence,  i.e., in some periods higher values were at the 16 m deep while in others at 25 m. It should be  noted that the ADCP only registered below the 16 m depth layer, thus results do not show the  water mass behaviour above that depth. Water transparency varied mainly between 10 and 20 m  deep, presenting no significant periodicity throughout sampling period.  35.5 36.0 36.5 37.0 37.5 -19.6 -19.4 -19.2 -19.0 -18.8 -18.6 -18.4 Biovolume Longitude Latitude 1.6 3.2 4.8 6.4 8 ml.l !1

(38)

Chapter 2 

 

22 

    Table 1. Auto‐ and cross‐correlations of relevant hydrobiological parameters and their significance 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Parameter    Periodicity (h)    Significance    Depth (m)    (Cross ‐ ) correlated with          Temperature    6 (opp.)      Tide variation    20, 30*, 40*    Current direction** (opp. phase; r = 0.681) 

Salinity      6 (opp.)      Tide variation    20      Current direction** (r = 0.681) 

Fluoroscence    6 (opp.)      Tide variation    30, 40      ‐ 

Current magnitude  12      Tidal cycle    0 – 30**     ‐ 

Current direction   12      Tidal cycle    All depths***    N* (r = 0.363) 

NO2‐ + NO3‐    6 (opp.)      Tide variation    40      Si*** (r = 0.533) 

Si(OH)4      6 (opp.)      Tide variation    20*      P* (r = 0.369) 

diadinoxanthin (30 m: r = 0.289; 40 m: r = 0.213)  fucoxanthin (30 m: r = 0.366; 40 m: r = 0.468) 

Zeaxanthin    4      Water mass    20**      ‐ 

Zooplankton    12 (opp.)    Diel cycle    All** (except 10/20 m)  ‐       

* p < 0.1, ** p < 0.05; *** p < 0.01; opp., opposed phase 

   

(39)

 

Fig. 5. Variation of 1‐h average currents direction (a, degrees) and magnitude (b, mm s‐1) at several depths ( ‐ 16 m,  ‐ 25 m,  ‐ 34 m). Upper and downward 

(40)

Chapter 2 

 

24 

Fig. 6. Temperature (a, ºC) and salinity (b) variation during 48‐hour cycle. Upper and downward arrows  indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods.  The water column was vertically stratified below the thermocline during sampling period, as  seemed clearly from salinity data (Fig. 6). Thermocline and halocline depths oscillated between 15  and 20 m for most of the cycle, and both temperature and salinity followed the same trend with a  6‐hour opposed‐phase periodicity (Table 1). During the low tide period it was generally observed  less saline waters and warmer temperatures down to greater depths in the water column (Fig. 6).  Throughout  the  last  period  of  the  48‐hour  cycle  the  water  column  physical  properties  did  not  show  the  same  dynamics,  specifically  in  the  end  of  the  second  day  where  an  intrusion  of  less  saline waters was observed deeper (around 30 m). 

Nutrient concentrations ranged from 0 to 2.01 µmol l‐1 for N, 1.65 to 2.94 µmol l‐1 for P and 

4.70 to 15.70 µmol l‐1 for Si (Fig. 7). N concentration was higher near the bottom during low tides, 

which  is  consistent  with  a  significant  6‐hour  opposed‐phase  periodicity  and  to  the  strong  correlation  found  with  current  direction  at  the  40  m  depth  layer  (Table  1).  Despite  Si  concentration only showed tidal periodicity at shallower depths, it was positively correlated to N  and P at 40 m deep (Table 1). Nutrient ratios N:P and N:Si were calculated and ranged both from 0 

(41)

to 0.41 and 0.15, respectively. These ratios were strongly determined by N concentration that was  generally under the method detection limit. 

Fig. 7. Nutrient concentrations (µmol l‐1) during the 48‐hour cycle (a ‐ N;b ‐ P;c ‐ Si). Upper and downward  arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

Imagem

Fig.  1.  Radial  and  fixed  stations  location.  Both  radial  ()  and  fixed  stations  ()  are  presented  and  the  arrows indicate sampling order. 
Fig. 5. Variation of 1‐h average currents direction (a, degrees) and magnitude (b, mm s ‐1 ) at several depths (   ‐ 16 m,    ‐ 25 m,    ‐ 34 m).  Upper and downward  arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate
Fig. 7. Nutrient concentrations (µmol l ‐1 ) during the 48‐hour cycle (a ‐ N;b ‐ P;c ‐ Si). Upper and downward  arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 
Fig. 9. Zooplankton abundance (ml l ‐1 ) at sampled strata ( ‐ neuston,  ‐ 0/5 m,  ‐ 5/10 m,  ‐ 10/20 m,  ‐ 20/30 m,  ‐ 30/40 m) during the 48‐hour cycle. Upper and  downward arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangl
+3

Referências

Documentos relacionados

Planktonic primary production and respiration rates were estimated in a subtropical coastal lake dominated by Cyanobacteria in order to investigate the temporal and vertical

RESUMO: Tendo como elemento central o par de amantes Pedro e Inês, a proposta deste artigo é discutir o lugar ocupado pela saudade, enquanto tema e questão, no imaginário cultural

temporal patterns for different types of droughts, in the analysis carried out for mainland Portugal the SPI was used at different time scales, namely at 1 (SPI1), 6 (SPI6), and

A  presente  discussão  combina  uma  reflexão  teórica  e  metodológica  para  compreender  como  o  computador 

For Stanley Fish, the interpretive strategies displayed by different communities of re- aders are, at the same time, decisive for the construction of the meaning of what is read and

The first example con- siders the use of the Duration Sort algorithm, where higher lifetime values are prioritized, meaning that the final order of VN requests would be: VNR 1

• Os alunos que aprendem Ciências Físicas e Químicas em ambientes construtivos, essencialmente de aprendizagem cooperativa ou com a envolvência da Ciência,

Foram testados 25 isolados, de três diferentes espécies de Trichoderma, quanto à produção de enzimas hidrolíticas, AIA e sideróforos bem como a capacidade de inibição do