Ecosystem risk assessments – New developments to support ecosystembased management

Abstract

Marine ecosystems are impacted by numerous anthropogenic activities. To sustain ecosystem functioning and productivity of marine systems for future generations new approaches for marine management are required. Ecosystem-based management is defined by a holistic perspective incorporating humans as integral part of the ecosystems, both as driver of change and as component affected by these changes. Among others risk assessments are used to provide scientific information for ecosystem-based management. Risk assessments are a tool to identify and prioritize potentially adverse effects of human and natural impacts. While risk assessments are used for a long time and across scientific fields, their integration into ecosystem-based management remains challenging. This thesis aims to respond to these challenges to improve the integration of risk assessments into ecosystem-based management by presenting a new framework for ecosystem risk assessments. The Ecorisk framework (Chapter 1) was developed to integrate existing risk assessment approaches together with new ones in a modular manner. It gradually increases the complexity from simple single ecosystem component – single stressor assessments to a holistic ecosystem-wide perspective. The modularity ensures flexibility and integration into adaptive and iterative management approaches. Application of the Ecorisk framework is facilitated with the open-source R package ecorisk. The application of the Ecorisk framework was tested using the Western Baltic Sea and the North Sea as case study systems. The Western Baltic Sea case study (Chapter 2) demonstrated the assessment of multiple ecosystem components and multiple stressors within one risk assessment while using different knowledge and indicator types. Furthermore, critical decisions influencing the results were identified and tested to guide future application. The results of the risk assessment showed that the Western Baltic Sea is at medium risk due to the effects of climate change, eutrophication and fishing. However, responses to the three stressors differed depending on the considered ecosystem component. The North Sea case study (Chapter 3) was conducted in the context of abrupt changes within the ecosystem. For this purpose, the risks due to climate change, fishing and prey abundance were assessed for two fish species (Atlantic cod Gadus morhua) and European plaice (Pleuronectes platessa), known to have experienced abrupt changes in the past. The results showed that the risk composition has changed for both species from fishing as main contributor to the species risks to a heterogenous risk composition with several equally contribution pressures. This underlines that risk assessments must be conducted iteratively to accommodate the dynamic nature of risks and highlights the usability of Ecorisk in this context. To show the integration of Ecorisk with other risk assessment approaches a climate vulnerability assessment was conducted for the fish community of the Western Baltic Sea (Chapter 4). This analysis presents a more detailed species-specific assessment approach, which can complement the Ecorisk framework. The results support the ones of the Western Baltic Sea risk assessment in highlighting that climate change effects can represent a risk or an opportunity depending on the considered fish species and its requirements. Furthermore, comparison of the risk assessment and the climate vulnerability assessment demonstrated that risks cannot be transferred from higher level taxa to individual species. Therefore, the two approaches should ideally complement each other by providing scientific advice at different levels of detail. This thesis presents a new risk assessment approach to support the development of risk assessments towards ecosystem-based management, by integrating among others the multifaceted complexity of social-ecological systems, accommodating different knowledge types and supporting an iterative and adaptive management approach. A shift of risk assessments to this holistic management perspective constitutes an improvement of the connection between science and management and ensures informed decision making.

Marine Ökosysteme sind von zahlreichen anthropogenen Einflüssen betroffen. Um die Funktionsweise und Produktivität mariner Systeme für zukünftige Generationen zu erhalten, sind daher neue Managementansätze wie zum Beispiel ein Ökosystem-basiertes Management erforderlich. Dieses zeichnet sich durch eine ganzheitliche Perspektive aus, die den Menschen als integralen Bestandteil der Ökosysteme betrachtet, sowohl als Auslöser von Veränderungen als auch als Komponente des sozial-ökologische Systems, die von diesen Veränderungen betroffen ist. Risikobewertungen werden unter anderem dazu genutzt, um wissenschaftliche Informationen für ein solches Ökosystem-basiertes Management zu liefern. Sie sind ein Werkzeug, um potenziell nachteilige Auswirkungen menschlicher und natürlicher Einflüsse zu identifizieren und zu priorisieren. Obwohl Risikobewertungen seit langem in unterschiedlichsten wissenschaftlichen Disziplinen angewendet werden, ist ihre Einbindung in das Ökosystem-basierte Management nach wie vor herausfordernd. Diese Dissertation zielt darauf ab, Lösungen für diese Herausforderungen aufzuzeigen und zu entwickeln, um die Integration von Risikobewertungen in das Ökosystem- basierte Management zu verbessern, indem ein neues System für Ökosystem Risikobewertungen vorgestellt wird. Das Ecorisk System (Kapitel 1) wurde entwickelt, um bestehende Risikobewertungsansätze zusammen mit neuen Ansätzen in modularer Weise zu verbinden. Es erhöht schrittweise die Komplexität von der Bewertung einzelner Ökosystemkomponenten und einzelnen Stressoren hin zu einer ganzheitlichen Ökosystem Perspektive. Die Modularität gewährleistet Flexibilität und eine verbesserte Integration von Risikobewertungen in adaptive und iterative Managementansätze. Die Anwendung des Ecorisk Systems wird durch das open-source R-Paket ecorisk unterstützt. Die Anwendung des Ecorisk Systems wurde anhand zweier Fallstudien in der westlichen Ostsee und der Nordsee getestet. Die Fallstudie in der westlichen Ostsee (Kapitel 2) veranschaulicht wie mit Hilfe von Ecorisk mehrerer Ökosystemkomponenten und mehrerer Stressoren innerhalb einer Risikobewertung unter Verwendung unterschiedlicher Daten und Indikatorentypen analysiert werden können. Zudem wurden kritische Entscheidungen, die die Ergebnisse beeinflussen, identifiziert und getestet, um eine zukünftige Anwendung zu unterstützen. Die Ergebnisse dieser Risikobewertung zeigten, dass die westliche Ostsee aufgrund von Klimawandeleffekten, Eutrophierung und Fischerei einem mittleren Risiko ausgesetzt ist. Allerdings variierten die Reaktionen auf die drei Stressoren je nach der betrachteter Ökosystemkomponente. Die Fallstudie in der Nordsee (Kapitel 3) wurde im Kontext abrupter Veränderungen im Ökosystem durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden Risiken aufgrund von Klimawandel, Fischerei und des Nahrungsangebots für zwei Fischarten Atlantischer Kabeljau (Gadus morhua) und Scholle (Pleuronectes platessa), die in der Vergangenheit bereits abrupte Veränderungen erfahren haben, bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Risikozusammensetzung bei beiden Arten von der Fischerei als Haupteinflussfaktor zu einem heterogenen Gesamtrisiko entwickelt hat, zu dem mehrere Stressoren gleichmäßig beitragen. Dies verdeutlicht, dass Risikobewertungen iterativ durchgeführt werden müssen, um Veränderungen von Risiken abbilden zu können und hebt die Anwendungsmöglichkeit von Ecorisk in diesem Kontext hervor. Um die Integration von Ecorisk mit anderen Risikobewertungsansätzen zu veranschaulichen, wurde eine Klimavulnerabilitätsanalyse für die Fischgemeinschaft der westlichen Ostsee durchgeführt (Kapitel 4). Diese Analyse stellt einen detaillierteren Bewertungsansatz gestützt auf einzelne Arten dar, der das Ecorisk System ergänzen kann. Die Ergebnisse unterstützen die der Risikobewertung der westlichen Ostsee und verdeutlichen, dass die Auswirkungen des Klimawandels je nach betrachteter Fischart und deren Anforderungen ein Risiko oder eine Chance darstellen können. Darüber hinaus zeigte der Vergleich der Risikobewertung und der Klimavulnerabilitätsanalyse, dass Risiken nicht von höheren taxonomischen Ebenen auf einzelne Arten übertragen werden können. Daher sollten beide Ansätze idealerweise genutzt werden um einander zu ergänzen, indem sie wissenschaftliche Ratschläge auf unterschiedlichen Detailebenen liefern. Diese Dissertation stellt einen neuen Risikobewertungsansatz vor, um die Entwicklung von Risikobewertungen im Hinblick auf Ökosystem-basiertes Management zu unterstützen. Hierfür wurden unter anderem die facettenreiche Komplexität sozial-ökologischer Systeme integriert, unterschiedliche Wissensarten berücksichtigt und ein iterativer und adaptiver Managementansatz gezielt unterstützt. Eine Entwicklung der Risikobewertungen hin zu einer ganzheitlichen Managementperspektive stellt eine Verbesserung der Verknüpfung von Wissenschaft und Management dar und gewährleistet eine fundierte Entscheidungsfindung.