Temporal variability of plankton in the north and northwest Iberian shelf : understanding plankton dynamics from monitoring time-series

Abstract

The aim of this theses is to explore the pattern of variability of plankton along the northern Atlantic coast of Spain by analyzing the time-series obtained within the RADIALES monitoring program, to investigate the connections between environment and plankton fluctuations and finally, to infer how environment can shape the temporal structure of plankton communities. Because of their short life-span and sensitivity, planktonic organisms constitute an appropriate biological model to study population and community dynamics. The first chapter aim to describe and compare the patterns of variability at 9 stations distributed in 4 across-shelf along the North-western shelf of the Iberian Peninsula. According to the periodicities observed in biomass time-series at all scales, three main spatial domains could be distinguished: oceanic, coastal Cantabrian and coastal Galician. Seasonality accounted for the main proportion of variability in all the stations and a semi-annual component was also observed in the Cantabrian stations. All section presented a positive trend in annually averaged biomass. Average individual weight also varied in the Santander and A Coruña sections suggesting that some change occurred in the zooplankton community structure. Within the second chapter, attention was given to the long-term and seasonal dynamics of zooplankton, in terms of abundance and taxonomic composition, and its relationship with meteo-climatic and hydrographic in the Vigo stations. Total abundance of zooplankton varied annually following on average a unimodal cycle. In the long term, zooplankton abundance exhibited three contrasting periods: A) 1995–2001, of low abundance and low amplitude seasonality, with a stepped increase towards 2001; B) 2001–2006, of high abundance and marked seasonality enclosing the maximum values of the time series; and C) 2006–2010, of intermediate abundance and amplitude of the seasonal cycle. Principal component analysis revealed that all zooplankton taxa increased in abundance from 2001 onward concomitant with sustained trends for upwelling intensity,precipitation and Gulf Stream North Wall position between 2000 and 2005. To explore deeper the processes that have driven the abrupt changes in the Vigo stations, the temporal structure of the zooplankton community has been studied, given rise of the third chapter. Annual oscillation of biomass and abundance increased in 2000 corresponding to the highest amplitudes of Upwelling index and river outflow.. The degree of synchrony appeared to be correlated with the upwelling index and, more closely, with the duration of the upwelling events. The results suggest that amplified seasonality of the environmental variables from 2000 to 2004, combined with a reduction of off-shore exportation by shortening of upwelling events, favored retention in winter, and primary production in summer. Within the fourth chapter we explore the effect of environmental fluctuations, such as nutrient availability, on phytoplankton community temporal structure.From the monthly time-series diatom composition collected at the A Coruña station, we estimated the synchrony among the 12 most abundant species. High synchrony was observed from 1998 to 2002 during a period characterized by the highest amplitude of upwelling index for periodic component of 2 to 3 weeks, 1.5 month and 1.5 year. To better understand the mechanisms and test if changes in the amplitude of nutrient can impact the temporal association between competitors, we employ a simple chemostat model in which two species compete for two fluctuating essential resources. For each possible stochiometric ratio requirement, synchrony increased with the amplitude of nutrient input although the relation is not linear. Indeed, interspecific competition seems to buffer the effect of nutrient fluctuations until a certain threshold where it becomes the main force controlling the temporal association of the species.

El objetivo de esta tesis es explorar el patrón de variación del plancton a lo largo de la costa Atlántica del Norte de España por medio del análisis de series temporales obtenidas dentro del programa de monitoreo RADIALES, investigar las conexiones entre fluctuaciones ambientales y del plancton y finalmente, inferir cómo el ambiente puede moldear la estructura temporal de las comunidades planctónicas. Debido a su corta vida y sensibilidad a los cambios ambientales, los organismos planctónicos representan un modelo biológico ideal para estudiar las dinámicas de poblaciones y comunidades. El 1er capítulo tiene como objetivo describir y comparar los patrones de variación de 9 estaciones de muestreo distribuidas en 4 transectos a lo largo de la plataforma noroccidental de la Península Ibérica. En base a las periodicidades observada en las series temporales de biomasa, se distinguieron tres dominios principales: Oceánico, Costero Cantábrico y Costero Gallego. La estacionalidad explicó un alto porcentaje de la variabilidad y un componente semi-anual fue observado en las estaciones cantábricas. Todas las estaciones presentaron una tendencia positiva en el promedio de biomasa anual. El peso individual promedio también varió en las secciones de Santander y A Coruña, indicando que algún cambio tuvo lugar en la estructura de la comunidad de zooplancton. El 2º capítulo se centró en cuantificar la variabilidad del zooplancton en las estaciones de Vigo a escala anual y decenal asi como su relación con variables ambientales. A lo largo del tiempo, se distinguen tres periodos contrastados: A) 1995-2001, periodo de baja abundancia y estacionalidad de baja amplitud, con un incremento escalonado hacia 2001; B)2001-2006, periodo de gran abundancia y marcada estacionalidad; y C)periodo 2006-2010, de abundancia y amplitud del ciclo estacional intermedias. El análisis de componentes principales reveló que todos los taxones del zooplancton incrementaron su abundancia de 2001 correspondiendo con un cambio gradual en la variable ambientales entre los años 2000 y 2005, en particular en la intensidad de los afloramientos, precipitaciones y la posición de la pared norte de la corriente del Golfo. Para explorar los procesos que han dado lugar a estos cambios abruptos, se estudió la estructura temporal de la comunidad del zooplancton, dando lugar al 3º capítulo. Las oscilaciones anuales en biomasa y abundancia aumentaron en el año 2000, coincidiendo con las mayores amplitudes del Indice de afloramientos y descargas fluviales. El grado de sincronía se correlacionó con el índice de afloramientos, y especialmente con la duración de estos eventos. Los resultados sugieren que una amplificada estacionalidad en las variables ambientales de 2000 a 2004, en combinación con una reducción de la exportación hacia el océano debida a eventos de afloramiento más cortos, favoreció la retención en invierno y la producción primaria en verano. En el 4º capítulo se exploraron los efectos de fluctuaciones ambientales, como la disponibilidad de nutrientes, en la estructura temporal de la comunidad fitoplanctónica. A partir de la serie temporal de composición de diatomeas recolectada mensualmente en la estación de A Coruña, se estimó la sincronía entre las 12 especies más abundantes. Se observó una alta sincronía entre 1998 y 2002, un periodo caracterizado por la máxima amplitud del índice de afloramiento para los componentes periódicos de 2 a 3 semanas, 1,5 meses y 1,5 años. Para lograr un mejor entendimiento de los mecanismos subyacente, se empleó un modelo en el cual dos especies compiten por dos recursos esenciales fluctuantes. Para cada ratio estoicométrica posible, la sincronía aumentó con la amplitud de la entrada de nutrientes, pero de forma no linear. En efecto, la competencia interespecífica parece amortiguar el efecto de las fluctuaciones en nutrientes hasta un umbral a partir del cual se convierte en la principal fuerza que controla la dinámica de las especies.