Issue Aquat. Living Resour. Volume 18, Number 1, January-March 2005 Page(s) 1 - 13 DOI 10.1051/alr:2005001

Aquat. Living Resour. 18 (2005) 1-13
DOI: 10.1051/alr:2005001

Impact of trophic interactions on production functions and on the ecosystem response to fishing: A simulation approach

Emmanuel Chassot¹, Didier Gascuel¹ and Audrey Colomb<sup>1, 2

1</sup>  Agrocampus Rennes, Département Halieutique, Unité Propre de Recherche (UPR) Méthode d'Étude des Systèmes Halieutiques (MESH), 65 rue de Saint Brieuc, CS 84215, 35042 Rennes Cedex, France
²  Institut de Recherche pour le Développement (IRD), Centre de Recherche Halieutique Méditerranéenne et Tropicale (CRH), Av. Jean Monnet, BP 171, 34203 Sète Cedex, France

(Received 20 April 2004; Accepted 19 October 2004)

Abstract
A simulation model is developed to analyse the variability of production functions in an exploited virtual ecosystem. We assume that a complex food web can be represented by a set of trophic components interacting through predation. Each component has a set of recruitment, growth, and survival models, a catch level and trophic preference function. Prey are consumed according to their abundance and predators' trophic preference functions are estimated in a pristine system. A parameter for the food consumption per unit biomass describes foraging for each trophic component. The FishBase database is used to parameterise some of the major processes in a generic model. A commercial fishery targets mostly high trophic levels through a set selectivity function. Some key ecosystem features are assessed in simulations: the intensity of top-down and of bottom-up controls, and the degree of trophic opportunism. Top-down control is the regulation of lower food-web components by one or several upper-levels predators. Bottom-up control is the regulation of trophic components by their prey. Results show that biological production functions are highly dependent on predation parameters and vary differently according to trophic level. Fishing activity modifies the biomass distribution between components and strongly affects higher trophic levels more sensitive to exploitation. Trophic dynamics within the system are altered through the rates of predation mortality. In systems where predation mortality is high, top-down control dominates and fishing affects all food web components. These "fishing-controlled" systems display compensatory mechanisms through a released predation control. We also show that systems where productivity is dependent on prey abundance are more "environment-controlled" and seem more sensitive to overexploitation, particularly the higher trophic levels. Trophic opportunism tends to dampen the propagation of top-down or bottom-up controls through the food web and thus stabilizes the ecosystem. Trophic relationships are therefore essential ecosystems characteristics that determine production and response to exploitation. Their routine analysis is a key part of the ecosystem approach.

Résumé
Un modèle de simulation est développé afin d'étudier la variabilité des fonctions de production au sein d'un écosystème virtuel exploité. Nous faisons l'hypothèse qu'un réseau trophique complexe peut être représenté par un ensemble de classes trophiques interagissant par prédation. A chaque classe est associé un modèle de recrutement, croissance, survie, capture et une fonction de préférence trophique. Les proies sont sélectionnées en fonction de leur abondance dans le système et de la fonction de préférence trophique des classes prédatrices, estimée à l'état vierge. Un paramètre de consommation de nourriture par gramme corporel définit l'importance de la ration alimentaire de chaque classe trophique. L'utilisation de la base de données FishBase pour paramétrer certain des principaux processus modélisés permet de replacer le simulateur dans un cadre très général. La pêcherie cible majoritairement les hauts niveaux trophiques suivant une fonction de sélectivité donnée. Certains traits majeurs du fonctionnement de l'écosystème sont testés à partir de simulations : l'intensité des contrôles descendants et ascendants et le degré d'opportunisme trophique. Le contrôle descendant correspond à la régulation des composantes de bas niveaux trophiques par un ou plusieurs prédateurs supérieurs. Le contrôle ascendant est la régulation des composantes du réseau trophique par leurs proies. Les résultats montrent que les fonctions de production sont très dépendantes des jeux de paramètres de prédation simulés et varient différemment selon les niveaux trophiques. L'activité de pêche modifie la distribution de la biomasse et affecte particulièrement les hauts niveaux trophiques plus sensibles à l'exploitation. Ceci a pour effet d'altérer les dynamiques trophiques au sein du système par le biais des taux de mortalité par prédation. Dans les systèmes où la mortalité par prédation est importante, le contrôle descendant prédomine et la pêche affecte alors tous les compartiments du réseau trophique. Ces systèmes contrôlés par la pêche présentent des mécanismes de compensation par relâchement de la prédation. Nous montrons également que les systèmes où la productivité dépend de l'abondance des proies sont plutôt contrôlés par l'environnement et semblent plus sensibles à une surexploitation, surtout dans les hauts niveaux trophiques. L'opportunisme trophique tend à modérer la diffusion du contrôle descendant ou ascendant le long du réseau trophique et stabilise ainsi l'écosystème. Les relations trophiques constituent ainsi des facteurs essentiels des écosystèmes qui déterminent leur production et leur réponse à l'exploitation. L'étude en routine de ces paramètres est l'un des facteurs clés de l'approche écosystémique.

Key words: Bottom-up / Top-down controls / Fishing effects / Multi-specific / Predation / Production function / Simulation / Trophic level

Corresponding author: Emmanuel.Chassot@agrocampus-rennes.fr

© EDP Sciences, IFREMER, IRD 2005

What is OpenURL?