Opening the black box of coastal inshore waters in the NW Mediterranean Sea : environmental quality tools and assessment

Abstract

Coastal inshore waters (CIW) are defined as the area of coastal waters between 0 and 200 m from the shoreline. They only represent < 1% of coastal waters, even though they are of main ecological, social, and economic importance. However, studies related to CIW are scarce and, thus, they are very poorly known and understood. The time series data base of the National Catalan Coastal Water Monitoring Program, conducted since 1990, has allowed characterizing the CIW in the NW Mediterranean Sea. CIW receive a larger influence of continental nutrient-rich freshwater inflows than outermost coastal waters. These influences trigger the primary production (chlorophyll-a concentration), which can enhance the eutrophication process. In addition, they are fluvial or urban. The fluvial continental influences are related to natural processes, such as fluvial inflows and submarine groundwater discharges, and are defined by a high freshwater content (inverse of salinity) and a high nitrate, and silicate concentrations. The urban ones are mainly related to urban inflows, thus of anthropogenic origin, and are defined by high phosphate, ammonia, and nitrite concentrations. During the study period (1990-2014), physicochemical and biological data analyses revealed great differences between CIW and outermost coastal waters, in space and time and at national and local scales. CIW showed significantly larger concentrations of dissolved inorganic nutrients and chlorophyll-a than outermost coastal waters. Within CIW, Fluvial continental influences occurred predominantly in coastal zones where rivers flow into, such as in the southwest where the Ebre river discharges, and urban continental influences occurred along the metropolitan Barcelona area and near mostly urban areas. Besides, fluvial continental influences decreased while urban continental influences increased with time. In addition, CIW showed higher variability and heterogeneity, especially at local scale. These evidences had allowed the creation of methods to assess pressures (nutrients) on land and on coastal waters and also the impact they drive (chlorophyll-a) on coastal waters, as required by the Water Framework Directive. The land uses simplified index (LUSI) method assesses the continental pressures measured on land and its influence on coastal waters, based on land uses and coastline morphology. The Phosphate-Ammonium-Nitrite (FAN) and FLUviality (FLU) indexes method, which is based on physicochemical variables, assesses the continental influences, the urban and fluvial ones, the water quality, and the anthropogenic component of the trophic state and the risks of eutrophication and cultural eutrophication on coastal waters. The chlorophyll-a method, which is based on chlorophyll-a concentration (phytoplanktonic biomass) and on salinity, assesses the ecological status of coastal waters and allows to assess the eutrophication on coastal waters. Merging the results of the FAN and FLU indexes and of the Chl-a methods allows to assess the cultural eutrophication on coastal waters. The integrated assessment of the Catalan coast, based on the jointly results of the created methods, revealed that the 42% of the water bodies are at risk of eutrophication, 19% are at risk of cultural eutrophication, 8% show eutrophication, and 2% show cultural eutrophication. Therefore, the assumption regarding the oligotrophy of the Mediterranean Sea is rejected in CIW of the Catalan Coast. The combined evidences of the characterization and assessments of the Catalan coastal waters provide a better understanding of the structure and functioning of coastal waters, especially of CIW, in the Mediterranean Sea, which is essential for decision-makers. In addition, scientific recommendations were provided to achieve in the future the integrated management of the Catalan coast, under the ecosystem approach.

Les aigües costaneres interiors (CIW) són aquelles localitzades entre 0 i 200 m del litoral. Representen només un <1% d'aquestes, però tenen una gran importància a nivell ecològic, social i econòmic. Tot i així, no hi ha gaires estudis de les CIW i per tant el coneixement sobre la seva estructura i funcionament és limitat. La base de dades de la sèrie temporal del Programa Nacional de Seguiment i Control de les Aigües Costaneres de Catalunya, que es realitza des del 1990, ha permès caracteritzar les CIW al NO del Mediterrani. Les CIW reben una major influència dels aportaments continentals d'aigua dolça, rics nutrients, que les aigües costaneres més exteriors. Aquests aportaments fan incrementar la producció primària (concentració de clorofil·la-a), que alhora pot desencadenar el procés d'eutrofització de les aigües. Els aportaments continentals són fluvials o urbans. Els fluvials estan relacionats amb processos naturals, com ara fluxos fluvials i descàrregues submarines d'aigües subterrànies, i es defineixen per un contingut alt d'aigua dolça (invers de la salinitat) i unes altes concentracions de nitrat i silicat. Els urbans estan relacionats amb els fluxos urbans, d'origen antropogènic, i es defineixen per unes altes concentracions de fosfat, amoni i nitrit. Durant el període d'estudi (1990-2014), les anàlisis de dades fisicoquímiques i biològiques han revelat grans diferències entre les CIW i les aigües costaneres més exteriors, en l'espai i el temps, a escala nacional i local. Les CIW tenen concentracions significativament més grans de nutrients inorgànics dissolts i clorofil·la-a. L'arribada d'aportaments continentals a les CIW va produir-se predominantment davant la desembocadura de rius (sobretot al SO on desemboca el riu Ebre) i davant d'àrees urbanes (principalment davant l'àrea metropolitana de Barcelona). A més a més, va comprovar-se que en aquestes aigües els aportaments continentals fluvials van disminuir mentre que els urbans van augmentar al llarg del temps. Igualment, les CIW van mostrar més variabilitat i heterogeneïtat especialment a escala local. Aquests coneixement de les aigües costaneres, van permetre la creació de mètodes per avaluar les pressions (nutrients) a terra i a les aigües costaneres i també per avaluar l'impacte que generen (clorofil·la-a), tal i com exigeix la Directiva Marc de l'Aigua. El mètode basat en l'índex simplificat d'usos del sòl (LUSI) avalua les pressions continentals mesurades a terra i la seva influència en les aigües costaneres, segons els usos del sòl i la morfologia del litoral. El mètode basat en els índexs de fosfat-amoni-nitrit (FAN) i fluvialitat (FLU) determina, mitjançant variables fisicoquímiques, els aportaments continentals, els fluvials, els urbans, la qualitat de l'aigua, el component antropogènic de l'estat tròfic i els riscs d'eutrofització i d'eutrofització cultural a les aigües costaneres. El mètode basat en la clorofil·la-a valora l'estat ecològic de les aigües costaneres, segons la concentració de clorofil·la-a (biomassa fitoplanctònica) i la salinitat, i permet avaluar l'eutrofització a les aigües costaneres. Els resultats conjunts dels índexs FAN i FLU i de la clorofil·la-a permeten avaluar l'eutrofització cultural a les aigües costaneres. A la costa catalana, el 42% de les aigües costaneres corren risc d'eutrofització, el 19% risc d'eutrofització cultural, el 8% presenten eutrofització i el 2% eutrofització cultural. Per tant, la hipòtesi sobre l'oligotròfia del Mediterrani és nul·la a les CIW de la costa catalana. La caracterització i l'avaluació d'aquestes aigües contribueixen a una millor comprensió de l'estructura i el funcionament de les aigües costaneres, especialment de les CIW, en el mar Mediterrani, informació essencial per a gestors. A més, les recomanacions científiques nomenades en aquesta tesi contribuiran per a l'assoliment de la gestió integrada de la costa catalana en el futur, sota l'enfoc ecosistèmic.