Modelagem tridimensional da estrutura trófica em ecossistemas aquáticos continentais rasos

Abstract

Esta tese identificou vários aspectos importantes da estrutura trófica e dinâmica de nutrientes em ecossistemas aquáticos sujeitos a perturbações externas, tais como mudanças no nível da água, aumento de carga de nutrientes e matéria orgânica, biomanipulação e clima. Para descrever tais efeitos sobre a estrutura trófica, um complexo modelo ecológico, com base em processos físicos, químicos e biológicos, foi desenvolvido e aplicado em ecossistemas aquáticos tropicais, subtropicais e temperados. Em tais aplicações, uma análise integrada foi empregada considerando a transferência de impactos da bacia para o ecossistema, com a finalidade de entender a real dinâmica dos ecossistemas aquáticos. As simulações revelaram importantes aspectos sobre a estrutura e funcionalidade dos ecossistemas frente as pertubações. Por exemplo, a lagoa Mangueira, um lago raso subtropical no sul do Brasil, pode oscilar entre dois estados alternativos estáveis (alta e baixa transparência da água), dependendo da concentração de ortofosfato e da túrbidez. Foi sugerido também que podem ocorrer profundas alterações na composição do fitoplâncton com a aumento sistemático da concentração de ortofosfato. Foram constatados significativos gradientes horizontais e verticais na estrutura trófica da lagoa Mangueira, indicando a importância de considerar a heterogeneidade espacial em grandes lagos para melhorar a compreensão dos processos ecológicos e padrões. Cenários críticos de simulação indicaram que o aumento da carga de nutrientes afeta negativamente a transparência da água, diferentemente do efeito de mudanças climáticas. Pequenas alterações na estrutura trófica causadas por esses fatores indicam uma forte resistência da lagoa Mangueira. O modelo ecológico também foi útil para descrever a dinâmica do ecossistema, antes e depois da biomanipulação do lago Engelsholm localizado na Dinamarca. Nesse caso, o modelo conseguiu razoavelmente prever a mudança para um estado de alta transparência da após a biomanipulação, entretanto a mudança na composição do fitoplâncton foi muito mais difícil de representar. Além disso, aplicações mais simples também auxiliaram o processo de tomada de decisão e planejamento. A modelagem ecológica aplicada em ecossistemas aquáticos mostrou ser uma alternativa promissora para a gestão integrada dos recursos naturais.

This thesis identified several important features of the trophic structure and dynamics of nutrients in ecosystems subjected to external disturbances such as changes in the water level, nutrient and organic matter loading, fish communities and climate. To describe such effects on trophic structure, a complex ecological model, based on physical, chemical and biological processes has been developed and applied in tropical, subtropical and temperate aquatic ecosystems. In such applications, an integrated analysis was employed considering the transfer of impacts from the watershed to the ecosystem, in order to bring closer the understading of the ecosystem dynamics. Simulations revealed important features about system structure and functionality in front of disturbances. For instance, lake Mangueira a subtropical lake in Southern Brazil can oscilate between two alternative steady stables (clear or turbid water), depending orthophosphate concentration and water transparency. It was also suggested that can occurs profound changes in phytoplankton composition from increase of orthophosphate concentration. Horizontal and vertical gradients in the trophic structure are notable in lake Mangueira, indicating the importance to consider spatial heterogeneity in large lakes to improve understanding of ecological processes and patterns. Simulation scenarios indicated that increased nutrient loading negatively affects water transparency, differently from climate changes. Slight changes in trophic structure caused by those factors indicate a strong resistence of the lake Mangueira. The ecological model also was useful to describe the ecosystem dynamics before and after biomanipulation of lake Engelsholm located in Denmark. In that case, the model could reasonably well predict a shift to a clear water state, but the changed composition of phytoplankton functional groups was much more hard to represent. Furthermore, simpler applications also provided support for decision making and planning in the ecosystem. Ecological modeling applied in aquatic ecosystems showed be a promising alternative towards the integrated management of natural resources.