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ECCWO Symposium - Session 12: Scenarios and models to explore the future of marine coupled human-natural systems under climate change
EcoTroph, a quasi-physical ecosystem model
to analyze the global impact of climate change on marine food-webs
Didier GASCUEL, Hubert DU PONTAVICE, William W. L. CHEUNG
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EcoTroph: an over-simplified ecosystem model
ECCWO 2018, S12-1420, EcoTroph Agrocampus Ouest, D. Gascuel - 2 / 17
Grd.zoo.
Crustac.
Dem.in
Ethmal.
Céphal. Bathy.
Mulets
Capit.
Dem.p.
Bars
Grd.pél. Req.rai
Daup.
Bal
Artisanal fishery
Indust. fishery
1
2
3
4
TL
Petit Zooplanc.
Producteurs primaires
Détritus
Ptt.pél.
Benthos
.01
0.1
1.0
10.0
100.0
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Trophic level
Total ecosystem Biomass (tons/km2)
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EcoTroph: applications
Climate change as the driver ?
Over exploited
Fully exploited
to draw diagnostics (Meissa et al., 2015)
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
Biomass spectrum
Increasing mEIncreasing F
to assess fishing impacts (Gascuel et al., 2005)
0.010.1
110
100
2 3 4 5
+6%
+24%
+17%
0.010.1
110
100
2 3 4 5
+36%
-8%
Biomass (log t/km²)
1980 2013
TL
Envir. Manag.
Bay of Biscay Celtic Sea
to compare ecosystem’s structure and dynamics (Moullec et al., 2016)
to explore functioning (Bentorcha et al., 2016)
0
5
10
15
20
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
Niveau trophic
Abo
ndan
ce (T
/km
2)
2003 (Exploited)
2008 (MPA)
Simulated MPA
to monitor MPA’s benefits (Colleter et al., 2012)
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5Niveau trophique
EcopathOsmose
Biomasses de l'écosystème
to compare models (Gasche et al., 2012)
ECCWO 2018, S12-1420, EcoTroph Agrocampus Ouest, D. Gascuel - 3 / 17
Effo
rt m
ultip
lier I
PF
Biomass TL-Biomass
Catch TL-Catch
Effo
rt m
ultip
lier I
PF
Effort multiplier SSCF Effort multiplier SSCF
to quantify interactions (Gasche et al., 2013)
2000s
to map global fisheries impacts (Tremblay-Boyer et al., 2011)
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0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Trophic level τ
Biomass
1,0
Grazing
Primary production Detritus recycling
EcoTroph: how it works?
A continuous representation of the biomass distribution, according to trophic level τ
-> the Biomass Trophic spectrum
Biomass flow
Predation
Ontogeny The ecosystem functioning: a flow of biomass trough trophic levels
Gascuel, 2005 … Gascuel, Pauly, 2009 … Gascuel, Guénette, Pauly, 2011
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EcoTroph: two key parameters
4,0 + 1,0 2,0 2,5 3,0 3,5 Trophic level
Transfer efficiency
The transfer efficiency TE: defines the quantity of biomass flow (Φτ), at each trophic level
Speed of the biomass flow
The flow kinetics K: celerity of biomass transfers through the food web (in TL/y-1)
NB: 1/K is the residence time in the food web
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EcoTroph: basic equations
The master equation: Biomass = flow . ∆τ
speed
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Bτ = Φτ · ∆τ / Kτ
An explicit link between:
the biomass present in the trophic class [τ, τ+∆τ[ -> Bτ, in tonnes the production, which results from the biomass flow passing trough the trophic
class -> Pτ = Φτ · ∆τ, in tonnes/year
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EcoTroph: basic equations
The master equation: Biomass = flow . ∆τ
A non-conservative flow: Φτ + ∆τ = Φτ · e – ( µτ + ϕτ ) . ∆τ
speed
Fishing losses . Catches Y
Natural losses . Non pred.mort. Mo.B . Excretion U . Respiration R
e-µ =Transfer efficiency
ECCWO 2018, S12-1420, EcoTroph Agrocampus Ouest, D. Gascuel - 7 / 17
Bτ = Φτ · ∆τ / Kτ
Φ Q
Y=F.B Mo.B
M2.B Φ
U R
Growth Prey Predator
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EcoTroph: basic equations
speed
ECCWO 2018, S12-1420, EcoTroph Agrocampus Ouest, D. Gascuel - 8 / 17
The master equation: Biomass = flow . ∆τ
A non-conservative flow: Φτ + ∆τ = Φτ · e – ( µτ + ϕτ ) . ∆τ
An empirical model for kinetics: Kτ,unexpl. = a · τ -b
Bτ = Φτ · ∆τ / Kτ
Gascuel et al. (2008, Ecol.Mod) 55 Ecopath models n = 1,718 groups r2 = 0.54
= 20.2 · e 0.041 θ · τ -3.26
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EcoTroph: additional details
0,01
0,10
1,00
10,00
100,00
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Trophic level
total Biomass accessible Biomass
Fishing impact on kinetic (higher mortalities -> shorter life expectancy -> faster transfers)
Feedback effects: Of predators on prey (Top-down control: more predator -> faster transfers) Of the total biomass on detritus recycling (less biomass -> less recycling)
All organisms are (currently) not exploited The accessible biomass A distinct kinetics for the accessible
and the not-accessible biomass
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Top predators
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EcoTroph: basic equations
The master equation: Biomass = flow . ∆τ
A non-conservative flow: Φτ + ∆τ = Φτ · e – ( µτ + ϕτ ) . ∆τ Φ1 = NPP
An empirical model for kinetics: Kτ,unexpl. = a · τ -b = 20.2 · e 0.041 θ · τ -3.26
speed Bτ = Φτ · ∆τ / Kτ
Climate change affects: Net Primary Production NPP
Transfer efficiency TE
Flow kinetics K
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Using EcoTroph to simulate climate change
A global analysis Using 1° cells, aggregated by ecosystem type And for 2 scenarios: RCP2.6 and RCP8.5 in 2100 From IPSL
From Du Pontavice (in prep., See S11-1540)
Transfer efficiency TE
SST
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Using EcoTroph to simulate climate change
A global analysis Using 1° cells, aggregated by ecosystem type And for 2 scenarios: RCP2.6 and RCP8.5 in 2100 From IPSL
From Du Pontavice (in prep., See S11-1540)
From Gascuel et al. (2008) 1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6 7Time (year)
Trop
hic
leve
l TL
29 °C25 °C20 °C15 °C10 °C5 °C0 °C
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Climate change effects on the biomass trophic spectra
Temperate ecosystems, RCP 8.5, biomass in tons/km2
No change in NPP
A large effect of changes in Transfer efficiency TE
An additional effect of change in kinetics K
A 29% decrease in the total consumer biomass
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NPP only
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Effects on Production, Biomass & Accessible biomass
Polar Temperate Tropical
Production (tons/y/km2)
Biomass (tons/km2)
Accessible Biomass (tons/km2)
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Effects on Production, Biomass & access.Biomass
Loss in total consumer Production 2010
Base line 2100
RCP 2.6 2100
RCP 8.5 Polar 0% 3% 14% Temperate 0% 3% 16% Tropical 0% -1% 12%
2100 RCP 8.5 TE only NPP only K only
10% 4% 0% 15% 1% 0%
1% 11% 0%
12% 4% 7% 18% 1% 12%
2% 11% 14%
Access. Biomass
Top-pred. Biomass
26% 31% 35% 44% 25% 26%
A large impact on production and biomass, especially in temperate ecosystems Key role of NPP in tropical ecosystems, TE in temperate and polar, K everywhere Highest impacts on accessible and top-predator’s biomass
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Loss in total consumer Biomass
Polar 0% 5% 22% Temperate 0% 6% 29% Tropical 0% 2% 25%
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Global effects
RCP 2.6 -1 % -5 %
RCP 8.5 -14 % -25 % Accessible Biomass -28 % Top-predator biomass -33 %
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Discussion & Conclusion
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Next steps: Include catches Run the model locally (1° cells) Sensitivity analyses (beyond IPSL) Add changes (in TE and K) occurring
at the individual level
Take-home messages Simple model may provide reliable results (TrophMod, as an integrative tool)
Climate change will affect food web functioning, through three mechanisms: changing NPP, decreasing Transfer efficiencies, and accelerating the flow kinetics…
… thus leading to a large decrease in total consumer production, biomass and structure
Du Pontavice et al., in prep.
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Thank you…
ECCWO 2018, S12-1420, EcoTroph Agrocampus Ouest, D. Gascuel
1
2
3
4
5
0 1 2 3 4 5 6 7Time (year)
Trop
hic le
vel T
L
29 °C25 °C20 °C15 °C10 °C5 °C0 °C