Εκτίμηση της οικοσυστημικής και αλιευτικής κατάστασης του αιγαίου πελάγους με οικοτροφικούς δείκτες και ωκεανογραφικά μοντέλα

Abstract

The state of fisheries in the Mediterranean, reflects global trends, with overexploitation leading to a decline in major stocks. The Mediterranean is a diverse ecosystem, supporting multi-species and multi-gear fisheries. However, increasing fishing pressure, habitat degradation, climate change, and invasive species have further strained the region. Over 58% of stocks in the Mediterranean are overexploited, and data gaps, especially in recreational fishing, pose challenges to reliable stock assessments. The Aegean Sea, a semi-enclosed region in the eastern Mediterranean, faces similar issues, with declining biomass and biodiversity. This area is vital for commercial and small-scale fisheries, yet the impacts of illegal fishing, unregulated activities, and technological advancements exacerbate resource depletion. Ecosystem-Based Fisheries Management (EBFM) provides a holistic framework to address these challenges. Using ecological models like ECOPATH with ECOSIM (EwE), researchers simulate trophic interactions and ecosystem dynamics, integrating environmental and socio-economic factors into decision making. EwE facilitates spatial, temporal, and scenario-based analyses, promoting sustainable management practices. The Aegean's productive northern region, shaped by nutrient-rich inputs from the Black Sea, highlights the need for targeted strategies to ensure ecological and economic sustainability. Advancing EBFM and employing robust ecological models are crucial for mitigating overexploitation and supporting the resilience of marine ecosystems in the Aegean and Mediterranean Seas. Chapter two aimed to showcase the importance of EwE models by exploring the structure and function of various European marine ecosystems. These included regions such as the eastern, central, and western Mediterranean Sea; the Black Sea; the Bay of Biscay, the Celtic Sea and the Iberian coast; the Baltic Sea; the North Sea; the English Channel, the Irish Sea and the west Scottish Sea; and the Norwegian and Barents Seas. Thus, a comprehensive review was conducted on 195 Ecopath models derived from 168 scientific publications, encompassing original, updated and modified versions. Of these, 70 models incorporated ECOSIM temporal simulations, while 28 utilized ECOSPACE spatiotemporal dynamics. The western Mediterranean had the highest number of models and publications, followed by the English Channel, Irish Sea and west Scottish Sea region. In the Mediterranean, western regions were most represented, followed by central and eastern areas, mirroring trends from earlier reviews. The models primarily examined ecosystem functionality and fisheries-related hypotheses, with others exploring impacts of climate change, alien species, aquaculture, pollution and energy production. Over time, model complexity, measured by the number of functional groups, increased. Key driving factors in simulations included trophic interactions, fisheries and primary production. Ecosystem indicators were averaged, and uncertainty was assessed using the ECOSAMPLER plug-in and Monte Carlo routine, though only one-third of publications included such analyses. A limited number of models utilized the ECOIND plug-in for ecological indicator outputs. The chapter demonstrated the effectiveness of EwE framework in analyzing ecosystem dynamics and evaluating management strategies. The construction of a mass-balanced ECOPATH model for the Aegean Sea, took place in chapter three. The model represented an annual average for the period 2003–2006 including 44 functional groups. Results revealed a decline in biomass and energy flows with higher trophic levels, consistent with the PREBAL routine and similar models within the basin. Demersal species emerged as pivotal to the ecosystem's functioning, with squids identified as a true keystone group, followed by European hake. The trophic flow analysis suggested that the Aegean Sea is a relatively large, nearly mature ecosystem, sharing significant characteristics with other Mediterranean systems. The primary production needed to sustain fisheries was low, while gross efficiency indicated that fisheries in the region are less effective at converting primary production into catches. The baseline model was enhanced using the ECOIND plug-in, which provided critical insights into the ecosystem’s state, emphasizing the significance of demersal and benthic species. This model formed the foundation for the temporal and spatial simulations, implemented in the following chapters, to evaluate fisheries impacts and environmental and climate changes. In chapter four, an ECOSIM model was developed for the Aegean Sea, based on the ECOPATH configuration, covering a calibration period from 2006 to 2021 and a projection period extending to 2050. The model was used to evaluate the current state of the food web and predict future trends under various scenarios. Forecasts integrating fisheries management and climatic stressors were analysed to propose strategies for sustainable fisheries. Baseline simulations showed declines in biomass and catch for most functional groups. Scenarios involving reduced fishing effort led to biomass recovery in several groups but at the cost of lower catches. Climate scenarios, incorporating sea surface temperature data from the Intergovernmental Panel on Climate Change, revealed mixed responses: biomass gains in demersal species and significant declines in pelagic groups like mackerels and horse mackerels. Combined fisheries and climate scenarios demonstrated complex interactions, with cascading effects highlighted by trophic-based indices. ECOIND analysis underscored losses in demersal species under stress scenarios. These results offered critical insights for designing fisheries management and climate adaptation strategies in the Aegean Sea. Marine Protected Areas (MPAs) and spatial fisheries restrictions offer critical tools for conserving biodiversity and rebuilding fish stocks. In chapter five the ECOSPACE modelling framework was applied to assess the impacts of various spatiotemporal management scenarios on the Aegean Sea, focusing on biomass, catches and spatial distributions of marine populations. The baseline scenario revealed a 6% decline in total biomass and substantial decreases in commercially important species by 2050. While prey species and lower trophic levels showed biomass increases due to reduced predation, these gains were not consistent across all functional groups. Evaluated scenarios (Sc1-Sc5) explored MPA placements, Natura 2000 network expansions and offshore wind farm integration. Results demonstrated localized biomass increases within restricted zones but highlighted trade-offs, including effort redistribution and reduced total catches in some cases. Larger MPAs with stricter protections yielded more pronounced ecological benefits, particularly for demersal and benthic species, but also posed economic challenges for fisheries. Offshore wind farms provided modest conservation benefits, supporting the potential for multi-use marine spatial planning. Regarding MPAs proposed by Greece and Turkey, the simulated MPA scenarios revealed localized biomass increases, especially for demersal species, with FGs like medium-large demersals 2 and lobsters benefiting most. Greek-proposed MPAs demonstrated higher catch increases, while Turkish-proposed MPAs provided broader biomass gains, highlighting the importance of spatial placement. Spillover effects improved adjacent fisheries but redistributed effort risks overexploitation in unprotected zones. The results underscored the need for coordinated adaptive management between Greece and Turkey to optimize MPA effectiveness. Strategic MPA placement, combined with effort reductions and robust enforcement, is crucial to achieving long-term sustainability in the Aegean Sea, balancing conservation and fishery productivity goals across national boundaries. Future improvements should integrate high-resolution spatial data and socioeconomic analyses, while the findings can provide valuable insights for policymakers, aiding the development of adaptive management plans that balance biodiversity conservation with sustainable fisheries in the Aegean Sea. In chapter six, the ECOTROPH model was applied to investigate the trophic dynamics of the Aegean Sea ecosystem, emphasizing in its biomass distribution, fishing impacts and energy flow across trophic levels. The results revealed that mid-trophic level functional groups (TL 2.7–3.3), such as European pilchard and European anchovy, dominate the biomass spectrum, while higher trophic levels groups (TL > 4), including large pelagic species and apex predators, exhibited significantly lower biomass due to overexploitation. Fishing activity disproportionately targeted mid- and high-trophic level groups, with the highest fishing mortality observed around TL 3.5, particularly affecting commercially important species like European hake and red mullets. Simulated increases in fishing effort demonstrated a marked decline in biomass at higher trophic levels, while catches initially increased but plateaued or declined at extreme fishing mortality rates, highlighting the risk of overexploitation. Ecosystem exploitation using indicators such as EMSY (fishing effort multiplier at maximum sustainable yield) and E0.1 (reference fishing effort multiplier) was also quantified. While the overall ecosystem is moderately exploited, specific functional groups at high trophic levels were nearly fully exploited, underscoring potential risks to key species. Simulation results showed that lower and mid-trophic level species were less sensitive to increased fishing mortality due to their high productivity, while apex predators showed significant vulnerability. The ability of ECOTROPH to diagnose trophic impacts and identify sustainable fishing thresholds can make it a valuable tool for EBFM. However, its limitations, including lack of spatial resolution and species-specific dynamics, should be addressed by integrating complementary approaches. Overall, ECOTROPH provided critical insights into the trophic structure of the Aegean Sea, guiding sustainable fisheries management while highlighting the importance of preserving trophic balance. The exploitation of fisheries, historically driven by individual interests often at odds with the collective good, has led to the overexploitation and depletion of many marine resources. Traditional fisheries management, focused on single-species approaches using population dynamics models, has revealed limitations, particularly following significant stock collapses such as the Peruvian anchovy and the Atlantic cod. These events prompted a shift towards EBFM, which integrates ecosystem-level considerations alongside species-specific strategies, the importance of it was identified throughout this dissertation. EBFM can be supported by ecosystem models that incorporate multi-species interactions, fishing pressures and environmental changes, offering a more holistic perspective on marine management. Ecosystem modeling tools, like EwE, can play a crucial role in EBFM by simulating trophic interactions and energy flows within ecosystems. The ability of EwE to analyze both direct and indirect impacts of fishing activities aligns with EBFM principles, providing insights into long-term sustainability. However, these models face challenges related to data quality, uncertainty, and dynamic ecosystem processes. Addressing these limitations requires enhancing data collection, refining model assumptions, and integrating spatial and temporal dynamics through advanced tools. In the Aegean Sea, a biodiverse yet heavily exploited region, EwE models have been instrumental in identifying overexploitation trends and ecosystem maturity. Combined with predictive scenarios, these models can highlight the benefits of reduced fishing effort, the establishment of Marine Protected Areas (MPAs), and adaptive strategies to counter climate change impacts. Such measures not only enhance biodiversity but also secure economic benefits for local communities. Future research opportunities lie in expanding the capabilities of EwE to incorporate socio-economic factors, policy optimization and human behavior, bridging ecological insights with broader management objectives. By leveraging interdisciplinary collaboration and computational experiments, EwE can evolve into an indispensable tool for addressing global environmental challenges and achieving sustainable ecosystem management.

Η Μεσόγειος αποτελεί ένα πολύπλοκο και ποικιλόμορφο οικοσύστημα, που υποστηρίζει την πολύ-ειδική αλιεία με τη χρήση διαφορετικών εργαλείων. Ωστόσο, η αυξανόμενη αλιευτική πίεση, η υποβάθμιση των οικοτόπων, η κλιματική αλλαγή και τα ξενικά είδη έχουν επιδεινώσει την κατάσταση στην περιοχή, τα τελευταία χρόνια. Πάνω από το 58% των ιχθυαποθεμάτων στη Μεσόγειο είναι υπεραλιευμένα, ενώ τα κενά στα δεδομένα, ειδικά στην ερασιτεχνική αλιεία, δημιουργούν δυσκολίες στην αξιόπιστη αξιολόγηση των αποθεμάτων. Το Αιγαίο Πέλαγος, ως μια ημίκλειστη θαλάσσια περιοχή της ανατολικής Μεσογείου, αντιμετωπίζει παρόμοια προβλήματα, όπως η μείωση της βιομάζας και της βιοποικιλότητας. Αυτή η περιοχή είναι ζωτικής σημασίας για την επαγγελματική αλιεία (παράκτια και μέση), αλλά οι επιπτώσεις της παράνομης αλιείας, των μη ρυθμιζόμενων δραστηριοτήτων και της τεχνολογικής εξέλιξης εντείνουν την εξάντληση των πόρων. Η οικοκεντρική διαχείριση (Ecosystem-Based Fisheries Management, EBFM) προσφέρει ένα ολιστικό πλαίσιο για την αντιμετώπιση αυτών των προκλήσεων. Μέσω της χρήσης οικοσυστημικών μοντέλων όπως το EwE (ECOPATH with ECOSIM), οι ερευνητές μπορούν να προσομοιώνουν τις τροφικές αλληλεπιδράσεις και τις δυναμικές οικοσυστημάτων, ενσωματώνοντας περιβαλλοντικούς και κοινωνικοοικονομικούς παράγοντες στη λήψη αποφάσεων. Το EwE διευκολύνει τις αναλύσεις σε χρονικό και χωρικό επίπεδο καθώς και την εξέταση διαφόρων υποθετικών σεναρίων, προωθώντας βιώσιμες πρακτικές διαχείρισης. Τα σημαντικά αλιευτικά πεδία του Αιγαίου, ιδιαίτερη στο βόρειο τμήμα του που διαμορφώνεται από την εισροή των πλούσιων σε θρεπτικά συστατικά υδάτων της Μαύρης Θάλασσας, αναδεικνύει την ανάγκη για στοχευμένες στρατηγικές που διασφαλίζουν την οικολογική και οικονομική βιωσιμότητα. Η προώθηση της EBFM και η εφαρμογή ανθεκτικών οικοσυστημικών μοντέλων είναι κρίσιμης σημασίας για τη μείωση της υπερεκμετάλλευσης και την υποστήριξη της ανθεκτικότητας των θαλάσσιων οικοσυστημάτων τόσο στο Αιγαίο όσο και τη Μεσόγειο. Το δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής ανέδειξε τη σημασία των μοντέλων EwE μέσα από την ανάλυση της δομής και της λειτουργίας των Ευρωπαϊκών θαλάσσιων οικοσυστημάτων. Έτσι πραγματοποιήθηκε μια βιβλιογραφική ανασκόπηση όλων των δημοσιευμένων μοντέλων EwE από επιστημονικές δημοσιεύσεις, ώστε να ερευνηθούν τα πλεονεκτήματα της προσέγγισης αυτής στην οικοσυστημική έρευνα. Στο τρίτο κεφάλαιο, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο ECOPATH για το Αιγαίο Πέλαγος, που αντιπροσωπεύει έναν ετήσιο μέσο όρο για την περίοδο 2003-2006 και περιλαμβάνει 44 λειτουργικές ομάδες. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι οι περισσότερες λειτουργικές ομάδες βρίσκονταν σε ενδιάμεσα τροφικά επίπεδα, με είδη όπως τα καλαμάρια και ο μπακαλιάρος να αναδεικνύονται ως βασικοί πυλώνες για τη λειτουργία του οικοσυστήματος. Στο τέταρτο κεφάλαιο, αναπτύχθηκε το χρονικό μοντέλο ECOSIM, καλύπτοντας μια περίοδο βαθμονόμησης (2006-2021) και μια περίοδο προσομοίωσης (2022-2050). Τα υποθετικά σενάρια μείωσης της αλιευτικής προσπάθειας, αύξησης της θερμοκρασίας λόγω της κλιματικής αλλαγής, καθώς και ο συνδυασμός αυτών, ανέδειξαν τις σύνθετες αλληλεπιδράσεις και επιπτώσεις στις λειτουργικές ομάδες όλων των τροφικών επιπέδων, υπογραμμίζοντας την ανάγκη βιώσιμων στρατηγικών. Το πέμπτο κεφάλαιο εξέτασε τη χρήση των Θαλάσσιων Προστατευόμενων Περιοχών (ΘΠΠ) μέσω του μοντέλου ECOSPACE, αξιολογώντας χωρικά υποθετικά σενάρια στο χρόνο. Τα αποτελέσματα έδειξαν τοπικές αυξήσεις της βιομάζας σε αρκετά είδη εντός των περιοχών περιορισμένης αλιείας, αλλά και προκλήσεις στον αλιευτικό κλάδο λόγω της μείωσης των συνολικών συλλήψεων. Η στρατηγική τοποθέτηση των ΘΠΠ σε συνδυασμό με τη μείωση της αλιευτικής πίεσης είναι καίριας σημασίας για τη βιώσιμη διαχείριση. Τέλος, στο έκτο κεφάλαιο, το μοντέλο ECOTROPH ανέδειξε τις τροφικές δυναμικές στο οικοσύστημα του Αιγαίου, αποκαλύπτοντας τη μείωση της βιομάζας στα υψηλότερα τροφικά επίπεδα λόγω της αύξησης της αλιευτικής πίεσης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα είδη χαμηλότερων τροφικών επιπέδων είναι πιο ανθεκτικά στην αλιευτική πίεση, ενώ τα είδη ανώτερων θηρευτών παραμένουν πιο ευάλωτα. Συνολικά, η διατριβή υπογράμμισε τη σημασία των ολιστικών οικοσυστημικών προσεγγίσεων στη αλιευτική διαχείριση, ενσωματώνοντας αλιευτικά, περιβαλλοντικά και ωκεανογραφικά δεδομένα. Στο μέλλον οι ερευνητικές προσπάθειες μπορούν να εστιάσουν στην επέκταση των δυνατοτήτων του μοντέλου για την ενσωμάτωση των κοινωνικοοικονομικών παραγόντων, τη βελτιστοποίηση στις πρακτικές διαχείρισης και τη μελέτη της ανθρώπινης συμπεριφοράς, γεφυρώνοντας τις οικολογικές πληροφορίες με ευρύτερους στόχους διαχείρισης. Μέσα από τη διεπιστημονική συνεργασία και τους υπολογιστικούς πειραματισμούς, το EwE μπορεί να εξελιχθεί σε ένα χρήσιμο εργαλείο για την αντιμετώπιση των παγκόσμιων περιβαλλοντικών προκλήσεων και την επίτευξη βιώσιμης οικοσυστημικής διαχείρισης.