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Assessment of coral reef community structure using water optical properties

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Abstract
Measuring and monitoring the underwater light field is essential for coral reef ecological assessments since the health of these communities are affected or influenced by nutrients, sediments, and other materials that are transported from land into the marine environment and affect water quality. Significant changes in the water optical parameters in coral reef areas usually result over large time scales. Therefore, long term monitoring of water optical properties and sediment nutrient loads are required to examine the impact of these factors on community structure, diversity, and health of coral reefs. Although remote sensing technology may be a promising tool for monitoring coral reefs, significant obstacles exist for its implementation; such as the spectral and spatial resolution of sensors and the confounding effect of variable water optical properties and bathymetry. Therefore, we tested an indirect approach to infer coral reef community composition and health based on the characterization of the optical properties of surrounding waters. A total of 31 sampling events that included 19 stations were conducted to measure apparent and inherent water optical properties for the study areas. Regressions were obtained between water transparency, as determined by the diffuse attenuation coefficient of visible light (Kd (PAR)) and coral reef ecological parameters including the percent coral cover (R= -0.96, R2=0.92, p < 0.0001), the distance of the sites from the shore (R=-0.66, R2= 0.44, p = 0.0020), the index of diversity (H’) (R=-0.96, R2= 0.92, p>0.10) and the mean rugosity index (R=--0.46, R2= 0.22, p=0.0455). The vertical attenuation coefficient was also related to secondary parameters including: evenness (R=0.42, R2= 0.17, p>0.10), richness (R=-0.47, R2= 0.23, p=0.0404), sponge cover (R=0.75, R2= 0.56, p=0.0002), octocoral cover (R=0.74, R2= 0.54, p=0.0003), uncolonized substrate cover (R=0.74, R2= 0.55, p=0.0003), diseased coral cover (R=-0.60, R2= 0.36, p=0.0065), macroalgae cover (R=-0.52, R2= 0.28, p=0.0212) and filamentous algae cover (R=0.79, R2= 0.62, p>0.10). Significance of the relation between percent coral cover and optical depth (R=0.97, R2= 0.94, p<0.0001), was taken into consideration when dividing the study sites into three optical depth groups. The relationship between the vertical attenuation coefficient (Kd) and the percent coral cover was then reassessed resulting in a stronger relationship (R=-0.9982, R2= 0.9964, p=0.0384). A strong inverse relationship exists between Kd and the percent coral cover for the areas of Ponce, Guayanilla, La Parguera and Mayagùˆez Bay. Although weaker, a tendency was also observed relating the vertical attenuation coefficients to the sites’ distance from shore. Euphotic zonation was considered a more efficient approach when determining similarities between the study areas. Future work should consider a more detailed evaluation of the specific biological parameters and the construction of a predictive model relating percent coral cover to Kd and optical depth by satellite imagery.
Las mediciones y el monitoreo del campo lumĂ­nico subacuĂ¡tico son de suma importancia para los estudios ecolĂ³gicos de los arrecifes de coral, debido a que la salud de estas comunidades depende de concentraciones bajas de nutrientes, sedimentos y otros materiales que son acarreados de la tierra hasta el ambiente marino, afectando asĂ­ la calidad del agua. Esto representa una serie de cambios significativos en los parĂ¡metros Ă³pticos del agua que comĂºnmente se extienden a gran escala temporal y espacial. Por lo tanto, el estudio a largo plazo de las propiedades Ă³pticas del agua y de las descargas de nutrientes, son necesarios para entender el impacto de Ă©stos factores en la estructura, diversidad y salud de las comunidades de arrecife de coral. Aunque la tecnologĂ­a abarcada por la teledetecciĂ³n resulta ser una herramienta prometedora para el estudio de los arrecifes de coral, existen obstĂ¡culos significativos para la implementaciĂ³n de dicha tecnologĂ­a, tales como la resoluciĂ³n espectral y espacial de diferentes censores y el efecto confuso de la alta variabilidad en las propiedades Ă³pticas del medio acuĂ¡tico y en la batimetrĂ­a. Por lo tanto, probamos un acercamiento indirecto para deducir la composiciĂ³n y la salud de la comunidad del arrecife coralino basado en la caracterizaciĂ³n de las caracterĂ­sticas Ă³pticas de aguas circundantes. Un total de 31 campañas de muestreo a 19 estaciones fueron llevadas a cabo para medir las caracterĂ­sticas Ă³pticas aparentes e inherentes del agua para las Ă¡reas del estudio. Se obtuvieron relaciones estadĂ­sticas entre la claridad del agua, segĂºn lo determinado por el coeficiente de atenuaciĂ³n difuso de luz visible (Kd (PAR)) y parĂ¡metros ecolĂ³gicos del arrecife como por ejemplo el porciento de cobertura de coral vivo (R= -0.96, R2=0.92, p < 0.0001), la distancia entre las estaciones y la costa (R=-0.66, R2= 0.44, p = 0.0020), el Ă­ndice de diversidad (H’) (R=-0.96, R2= 0.92, p>0.10) y el Ă­ndice de rugosidad (o relieve vertical) (R=--0.46, R2= 0.22, p=0.0455). El coeficiente the atenuaciĂ³n vertical ( en adelante Kd) tambiĂ©n fue relacionado a parametros secundarios en los que se incluyĂ³: la homogeneidad (R=0.42, R2= 0.17, p>0.10), el nĂºmero total de especies (R=-0.47, R2= 0.23, p=0.0404), la cobertura de esponjas (R=0.75, R2= 0.56, p=0.0002), la cobertura de octocorales (R=0.74, R2= 0.54, p=0.0003), el por ciento de sustrato no colonizado (R=0.74, R2= 0.55, p=0.0003), el por ciento de coral enfermo (R=-0.60, R2= 0.36, p=0.0065), la cobertura de macroalgas (R=-0.52, R2= 0.28, p=0.0212) y la cobertura de algas filamentosas incrustantes (R=0.79, R2= 0.62, p>0.10). Luego de determinar que la relaciĂ³n entre el porciento de corbertura de coral vivo y la profundidad Ă³ptica fue significativa (R=0.97, R2= 0.94, p<0.0001), se tomĂ³ la determinaciĂ³n de dividir los lugares de estudio en tres grupos Ă³pticos. La relaciĂ³n entre el (Kd) y el por ciento de cobertura de coral vivo fue entonces reconsiderada (R=-0.9982, R2= 0.9964, p=0.0384) resultando el anĂ¡lisis de Ă©sta en una regresiĂ³n aĂºn mĂ¡s fuerte. Por lo tanto se determinĂ³ la existencia de una fuerte relaciĂ³n inversa entre el Kd y el por ciento de cobertura de coral vivo para las Ă¡reas de Ponce, Guayanilla, La Parguera y la BahĂ­a de Mayagùˆez. Se observĂ³ ademĂ¡s, que aunque mĂ¡s dĂ©bil, el Kd estaba inversamente relacionado al incremento de distancia entre los lugares de estudio y la costa. La zonaciĂ³n eufĂ³tica fue considerada como el acercamiento mĂ¡s efectivo para la determinaciĂ³n de similitudes biolĂ³gicas entre las distintas Ă¡reas de estudio. La proyecciĂ³n de trabajos futuros debe considerar una evaluaciĂ³n mĂ¡s detallada de ciertos parĂ¡metros en el arrecife. En adiciĂ³n, se debe considerar la construcciĂ³n de modelos predictivos que puedan relacionar el por ciento de cobertura de coral vivo, el Kd y la profundidad Ă³ptica con sensores remotos y/o imĂ¡genes de satĂ©lite.
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2008
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Coral reef conservation – Water optical properties - Impact of, Optical oceanography – Water optical parameters - Measurement, Water optical properties – Monitoring, Coral reef ecology – Optical properties - Monitoring
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