Analysis of the lower trophic level of the Black Sea ecosystem after Mnemiopsis leidyi outburst

Abstract

Karadeniz ekosisteminin bileşenleri arasındaki etkileşimler ve farklı enerji seviyelerinin çevresel değişikliklere tepkisinin anlaşılması tek boyutlu, düşey çözünürlüklü (çoklu tabaka), birleştirilmiş fiziksel-biyojeokimyasal bir modelle çalışılmıştır. Ötrofikasyonun ve soğuk ve ılıman kışların ekosistem üzerindeki etkilerinin daha iyi anlaşılabilmesi için simülasyonlar yapılmıştır. Buna ek olarak, av-avcı etkileşimleri, besin rekabeti ve yukarıdan aşağıya uygulanan kontrol mekanizması detaylı olarak analiz edilmiştir. Sonuçlar artan besin konsantrasyonu sonucu bütün enerji seviyelerinde biyokütle artışı olduğunu göstermiştir. Ancak, ötrofikasyon model birleşenlerinin zamana bağlı dağılımlarını etkilememiştir. Soğuk ve ılıman kış etkileri entrainment hızı artırılarak ve azaltılarak gösterilmiştir. Ilıman kış simülasyonlarında azaltılan entrainment hızı karışık tabakanın normal kışlara gore daha erken sığlaşmasına neden olmuş, bu da üst tabakalara besin sağlanmasını ve üst tabakalardaki üretimi düşürmüştür. Üst tabakalardaki düşük üretim jelatinli etçillerdeki dominantlığın Mnemiopsis leidyi'den Aureli aurita'ya geçmesine neden olmuştur. Öte yandan, soğuk kışlarda karışık tabaka normal kışlara gore daha geç sığlaşmıştır. Karışık tabakadaki sığlaşmanın gecikmesi üst tabakalara besin sağlanmasını ve üst tabakalardaki üretimi artırmıştır. Soğuk kış simülasyonunda da jelatinli etçillerdeki dominantlık değişmiştir. Ancak, bu değişim neticesinde Noctiluca scintillans biyokütlesi farkedilir biçimde artmıştır. Her iki koşulda da alt enerji seviyesi az etkilenmiştir. Bir başka önemli sonuç ise jelatinli etçiller tarafından, yukarıdan aşağıya uygulanan kontrolü göstermiştir. İki jelatinli etçili de sistemden çıkardığımız zaman fitoplankton biyokütlesi azalmıştır. İki önemli guild oluşumu besin rekabeti ve av-avcı etkileşimlerini ortaya çıkarmıştır. Jelatinli etçillerin mesozooplankton üzerindeki avlanma hızı azaltıldığında mesozooplankton ve jelatinli etçil biyokütleleri artmıştır, ancak microzooplankton biyokütlesi azalmıştır. Jelatinli etçillerin microzooplankton üzerindeki avlanma hızı azaltıldığında mesozooplankton ve jelatinli etçil biyokütleleri artmıştır, microzooplankton biyokütlesi azalmıştır. Ancak, bu değişim jelatinli etçillerdeki dominantlığı Aurelia aurita'ya çevirmiştir. Diğer guildde, mesozooplanktonun microzooplankton üzerindeki avlanma hızı azaltılmıştır. Bu azalış mesozooplankton ve fitoplankton biyokütlelerini azalmış, microzooplankton biyokütlesini artırmıştır. Mesozooplanktonun fitoplankto üzerindeki avlanma hızı azaltıldığında mesozooplankton ve fitoplankton biyokütleleri azalmış, microzooplankton biyokütlesi artmıştır. Model bileşenlerinin değişen ekosistem yapısına uyum sağlamasına yol açan fizyolojik esneklikleri ve çevresel değişiklikleri yansıtma becerileri, denizel ekosistemlerde çevresel değişikliklerin etkisini tahmin etme yönünde modelin bir potansiyelinin olduğunu göstermektedir.

The interactions between the main ecosystem components in the Black Sea and quantification of the response of different trophic levels to environmental changes was studied with a one-dimensional, vertically resolved (multi-layer), coupled physical-biogeochemical model. The simulations were used to better understand and quantify the influence of eutrophication and cold and warm winters on the ecosystem. In addition the prey-predator interactions, food competition and top-down control mechanisms were analysed in detail. The results revealed increase in biomass of all trophic levels in response to increased nutrient concentration. However, the eutrophication did not change the temporal evolution of the model compartments. The effects of cold and warm winters were represented as increased and decreased entrainment rates, respectively. In warm winter simulations decreased entraintment rates resulted in mixed layer depths that shallowed earlier than normal winters, this decreased the nutrient supply to upper layers and production in the upper layers. Lower production in the upper layers resulted in a shift of dominancy in the gelatinous carnivores from Mnemiopsis leidyi to Aurelia aurita. On the other hand, in cold winters, the mixed layer shallowed later than the normal winters. This shift in the shallowing of the mixed layer increased the nutrient supply to upper layers and production in the upper layers. A shift of dominancy in the gelatinous carnivores was observed also in cold winters. However, Noctiluca scintillans biomass considerably increased by this change. In both cases, the lower trophic levels slightly influenced. Another important result indicated the top-down control of gelatinous carnivores in the system. Removing both of the gelatinous carnivores resulted in a decreased phytoplankton biomass. Two important guild structures revealed the food competition and prey-predator interactions. Reduction of gelatinous carnivores grazing rate on mesozooplankton increased the biomass of mesozooplankton and gelatinous carnivores, whereas decreased the biomass of microzooplankton. Reduction of gelatinous carnivores grazing rate on microzooplankton resulted in an increase of gelatinous carnivores and mesozooplankton biomass, a decrease on microzooplankton biomass. However, this change shifted the dominancy in gelatinous carnivores towards Aurelia aurita. In the other guild, the grazing pressure on microzooplankton exerted by mesozooplankton was reduced. This reduction decreased the biomass of mesozooplankton and phytoplankton, increased the biomass of microzooplankton. The reduction of grazing pressure exerted by mesozooplankton on phytoplankton resulted in an increase of microzooplankton biomass and a decrease of mesozooplankton and phytoplankton biomass. The physiological flexibility of the model compartments to adapt to the changing ecosystem structure and the ability to represent the environmental changes, imply a predictive potential of the model to forecast the effect of environmental changes on the marine ecosystems.