Diatom-based characterization of iberian coastal environments at different time scales

Tese de doutoramento, Geologia (Geologia Económica e do Ambiente), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2014

This thesis presents the mesoscale characterization of the evolution of two lagoon systems, Traba (550 years of sedimentary sequence) and Melides (1745 years of sedimentary sequence), using sedimentological, geochemical and biological, particularly diatoms, indicators. Also, a characterization of 18 present-day transitional environments (coastal lakes and ponds, lagoons and estuaries) of the Western Iberian Atlantic Coast (WIAC) was performed, based on the diatom content of 25 samples of surface sediments and water physico-chemical parameters. The study of diatom thanatocoenoses in present-day bottom sediments showed that there are distinct assemblages representative of the major types of environments, and that their distribution is mainly governed by gradients in salinity, PO4 3 -, NO3 - and Dissolved Organic Carbon. From this knowledge, a transfer function for salinity was derived which, plus autoecological data on diatoms, sedimentology, geochemical indicators and geochronology, were used to reconstruct the long-term evolution of two contrasting coastal wetlands in the WIAC. At the considered time scale, the evolution of Traba and Melides was mainly dependent on changes in four natural and anthropogenic factors: sand-barrier breaching (natural and/or human-induced), precipitation, forest cover (natural and/or human-induced), and cultural eutrophication. Sea-level changes played a minor or no role in their recent evolution. The complex interplay among all these factors prompted large ecological regime shifts interpreted in the framework of the Alternative Stable State Hypothesis of Shallow Lakes. Before the systems were impacted by direct human intervention, humid conditions were favourable for the development of turbid phases, generally irrespective of changes in barrier permeability. Whereas this relationship is clear in the Traba record, a higher connection to the ocean in Melides probably gave rise to a much more overlapped signal of the different forcing factors, making more difficult to disentangle the real contribution of climate in its evolution. In recent times cultural eutrophication and artificial barrier breaching accounted for most of the variability in the data, constituting the main drivers of the evolution in the two systems. In spite of concerns on present-day accelerated sea-level rise, palaeoecological research performed in Melides and Traba shows that the difficult task of good management practice in these systems should first focus in reducing nutrient loads to facilitate their natural recovery.

Estuários, lagunas e lagos e charcos costeiros são ambientes de transição em constante evolução, por processos naturais ou atividades antrópicas, enfrentando problemas ambientais como a poluição ou assoreamento provocado por sedimentação de materiais de origem marinha ou continental. Este último, tornou-se mais evidente desde há cerca de 5500-7500 anos cal AP (anos calibrados Antes do Presente), quando a barreira arenosa se tornou uma característica permanente das áreas costeiras da Costa Oeste Ibérica Atlântica (COIA). Torna-se imprescindível reconhecer se os agentes forçadores da evolução destes ambientes são de origem natural, antrópica, ou ambas, sendo as diatomáceas um indicador fundamental (em perspetiva multidisciplinar) no destrinçar dessas mesma origem. A reconstrução das condições ambientais passadas na COIA, baseada em diatomáceas, tem sido efetuada, até hoje de forma qualitativa, isto é, focada na autoecologia daquelas microalgas. Nesta dissertação pretende-se efetuar uma reconstrução paleoambiental quantitativa. Para tal, duas tipologias de amostragem distintas foram executadas. Um conjunto de amostras representativas das condições ambientais atuais (25 amostras de sedimentos superficiais para avaliação do conteúdo em diatomáceas e parâmetros físico-químicos da coluna de água), de 18 ambientes de transição da COIA (Valdoviño, Doniños, Traba, Louro, Xuño, Muro, Illa de Arousa, Bodeira, Minho, Lima, Vela, Óbidos, Albufeira, Sado, Melides, Santo André, Barbaroxa de Baixo e Mira), e outro, consistindo numa amostragem de alta resolução de duas sequências sedimentares (em Traba, representando os últimos 550 anos e Melides, representando os últimos 1745 anos). Com o primeiro foi possível construir uma função de transferência de salinidade, usada na reconstrução ambiental quantitativa das sequências sedimentares de Traba e Melides. Os resultados das amostras superficiais mostram que os locais estudados são representativos de ambientes marginais ou de pouca profundidade, podendo ser agrupados em lagos costeiros, lagunas e estuários, de acordo com associações de diatomáceas distintas. O primeiro grupo, constituído por lagos costeiros (Galegos e Portugueses), é caracterizado por diatomáceas ticoplantónicas e epifíticas de água doce/salobra. O segundo grupo, é composto por estuários portugueses e um único lago litoral galego (Doniños), sendo caracterizado principalmente pela presença de diatomáceas epipsâmicas marinhas/salobras. Finalmente, o terceiro grupo é constituído por lagunas portugueses (e o estuário do Sado) onde as diatomáceas epífitas de água doce a salobra são dominantes. As diatomáceas mais comuns e abundantes das amostras superficiais são Achnanthidium minutissimum, Pseudostaurosira trainorii e Nitzschia frustulum, sendo a salinidade, PO4 3-, NO3- e Carbono Orgânico Dissolvido, as variáveis que melhor explicam a distribuição das associações de diatomáceas dos ambientes da COIA. De entre estas, a salinidade é a que apresenta maior potencial para a reconstrução quantitativa dos paleoambientes costeiros de Traba e Melides.As duas espécies de diatomáceas que melhor caracterizam o registo sedimentar de Traba, são a Pseudostaurosira trainorii (relacionada principalmente com a instabilidade ambiental associada a alterações na permeabilidade da barreira arenosa) e Achnanthidium minutissimum, podendo também ser usadas como indicadoras de mudanças tróficas neste sistema costeiro. Em Melides, são as espécies Pseudostaurosira trainorii (também aqui indicadora da instabilidade ambiental associada a alterações na permeabilidade da barreira arenosa), a epipélica Nitzschia frustulum e a epifítica Cocconeis placentula var. placentula (relacionadas com mudanças de estados alternativos estáveis) que predominam. À abundância relativa de taxa de diatomáceas, aliada à reconstrução quantitativa da salinidade adquirida por função de transferência, juntou-se a sedimentologia, a geoquímica e geocronologia, para uma interpretação multidisciplinar da evolução ambiental dos sistemas costeiros de Traba e Melides, mostrando que a sua evolução ecológica, tem como ponto fulcral a teoria dos estados alternativos estáveis para lagos pouco profundos, isto é, os ambientes variam ao longo da sua evolução entre dois estados de equilíbrio, uma condição turva com dominância de biomassa algal e outra transparente, caracterizada por um amplo desenvolvimento de vegetação aquática. A evolução ao longo de aproximadamente 550 anos a Lagoa de Traba foi controlada pela ação conjunta da variabilidade climática e intervenção humana. Verificou-se que as diatomáceas deste sistema respondem principalmente à abertura da barreira arenosa. Assim, de 1470 a 1875 anos cal EC (anos calibrados da Era Comum), Traba caracterizou-se por um ambiente com ligação ao oceano, de características oligosalinas e com carga significativa de nutrientes (condição turva), potenciada não só pela desflorestação provocada pelo Homem, mas também pelo aumento da precipitação e eventos tempestivos, associados a longos períodos de NAO (North Atlantic Oscilation) negativa durante a Pequena Idade do Gelo (PIG). Entre 1875 e 1990 anos cal EC, o nível de água deste sistema baixa, bem como a carga de nutrientes (condição de transparência). Esta transição não está apenas ligada ao terminus da PIG como também à reflorestação feita na bacia hidrográfica desta zona húmida e consequente aprisionamento de nutrientes a montante. A partir de 1992 até 2007 anos cal EC, assiste-se a uma nova mudança, com provável intervenção humana direta nas imediações desta zona húmida, representada por um novo aumento de nutrientes para esta área. Nos últimos anos, o nível de eutrofização diminui, devido à abertura artificial da barreira arenosa. A Lagoa de Melides, de maiores dimensões que a de Traba, apresenta-se como um sistema de mistura, isto é, mostrando que os múltiplos fatores que influenciam esta zona húmida têm interação complexa e simultânea, tornando a distinção das causas forçadoras dos últimos 1745 anos deste sistema muito difícil. No entanto, verificou-se que as diatomáceas respondem a dois grandes fatores, a instabilidade (potenciada pela abertura da barra, entrada de água da bacia hidrográfica ou precipitação) e mudanças de estados alternativos estáveis do sistema. Assim, de 260 a 530 anos cal EC, Melides era um ambiente restrito, apesar de apresentar condição turva. A partir de 530 até 850 anos cal EC, há um acréscimo de carga de nutrientes no sistema, devido a um aumento da permeabilidade da barreira arenosa. Sugere-se que esta condição de elevada permeabilidade do sistema esteja a mascarar as condições húmidas responsáveis pela entrada de nutrientes via continental, em discordância com as condições secas bem estabelecidas para o Período das Trevas. Entre 850 e 1700 anos cal EC, a laguna transforma-se num ambiente mais restrito, resultado da baixa conexão com o oceano, embora esta aumente no final este período. Por outro lado, ocorrem duas grandes mudanças nos estados alternativos estáveis. A primeira dá-se entre 850 e 1700 anos cal EC, através de uma mudança gradual de condição turva para transparência, desencadeada não só pelas condições quentes e relativamente áridas da Anomalia Climática Medieval descritas para a Península Ibérica, como também pelas condições de baixa precipitação associadas a fases positivas persistentes da NAO, que diminuíram claramente a carga de nutrientes que chega ao espaço lagunar restrito. Segue-se uma fase de transição, e um novo retorno a um sistema de condição turva adquirida desde 1950 anos cal EC até ao presente. As condições húmidas da PIG que aumentariam a carga de nutrientes, não foram no entanto responsáveis pela transição para uma condição turva, muito devido ao aumento da conexão com oceano, que acontece a partir de 1950. Sugere-se que é a partir desta data que as condições atuais de hipertrofia foram adquiridas, como resultado do aumento de nutrientes potenciado pela carga de fertilizantes chegada por via continental. Assim, na escala de tempo considerada, a evolução de Traba e Melides dependeu principalmente de alterações em quatro fatores naturais e antrópicos: abertura/fecho da barreira arenosa (natural e/ou induzida pelo Homem), precipitação, cobertura florestal (natural e/ou induzida pelo Homem) e eutrofização cultural. As flutuações do nível médio do mar desempenharam um papel menor ou nulo na evolução recente destes sistemas. A complexa interação entre todos esses fatores conduziu a grandes mudanças de regime ecológico interpretadas segundo a teoria de estados alternativos estáveis para lagos pouco profundos. Estas mudanças em Melides e Traba dependeram em grande parte das Mudanças Climáticas Rápidas ocorridas durante o Holocénico. Antes da intervenção humana direta nos sistemas, as condições húmidas foram favoráveis para o desenvolvimento das fases turvas, e em geral, independentes de alterações na permeabilidade da barreira. Ambos os sistemas experimentaram mudanças a partir de um estado turvo para um de transparência associadas a mudanças de períodos húmidos para secos (o início da Anomalia Climática Medieval em Melides, e o termo da PIG em Traba). Essa relação é clara no registo de Traba, enquanto que uma mais frequente conexão com o oceano em Melides, provavelmente, deu origem a uma sobreposição de sinais dos diferentes fatores que forçam os sistema, tornando mais difícil separar a contribuição real do clima na sua evolução. Nos últimos anos, a eutrofização cultural e a abertura artificial da barreira arenosa, são os responsáveis pela maior parte da variabilidade dos dados, que constituem os principais motores da evolução nos dois sistemas. Os resultados obtidos mostram-se fundamentais na correta gestão integrada da zona costeira Ibérica. Apesar das preocupações com o atual aumento do nível do mar, a pesquisa paleoecológica realizada em Melides e Traba mostra que as boas práticas de gestão devem primeiro focar-se na redução de cargas de nutrientes para facilitar a sua recuperação natural, e ser acompanhadas por planos de monitorização e investigação científica multidisciplinar.

Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT, SFRH/BD/27802/2006 e projetos POCTI/CTA/45185/2002, PTDC/MAR/65585/2006, PTDC/CTE-GEX/65789/2006); projeto Requalificação da Lagoa de Melides – Serviço de Monitorização, 2007-2011); project Paleolimnoloxía e xestión de sistemas lacustres costeiros en Galicia. Resposta as mudanzas ambientais naturais e antrópica - 08MDS036000PR)