Assessment of coral reef community structure using water optical properties

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 Mayagüez 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 lumínico subacuático son de suma importancia para los estudios ecológicos 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 así la calidad del agua. Esto representa una serie de cambios significativos en los parámetros ópticos del agua que comúnmente se extienden a gran escala temporal y espacial. Por lo tanto, el estudio a largo plazo de las propiedades ópticas del agua y de las descargas de nutrientes, son necesarios para entender el impacto de éstos factores en la estructura, diversidad y salud de las comunidades de arrecife de coral. Aunque la tecnología abarcada por la teledetección resulta ser una herramienta prometedora para el estudio de los arrecifes de coral, existen obstáculos significativos para la implementación de dicha tecnología, tales como la resolución espectral y espacial de diferentes censores y el efecto confuso de la alta variabilidad en las propiedades ópticas del medio acuático y en la batimetría. Por lo tanto, probamos un acercamiento indirecto para deducir la composición y la salud de la comunidad del arrecife coralino basado en la caracterización de las características ópticas de aguas circundantes. Un total de 31 campañas de muestreo a 19 estaciones fueron llevadas a cabo para medir las características ópticas aparentes e inherentes del agua para las áreas del estudio. Se obtuvieron relaciones estadísticas entre la claridad del agua, según lo determinado por el coeficiente de atenuación difuso de luz visible (Kd (PAR)) y parámetros ecológicos 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 índice de diversidad (H’) (R=-0.96, R2= 0.92, p>0.10) y el índice de rugosidad (o relieve vertical) (R=--0.46, R2= 0.22, p=0.0455). El coeficiente the atenuación vertical ( en adelante Kd) también fue relacionado a parametros secundarios en los que se incluyó: la homogeneidad (R=0.42, R2= 0.17, p>0.10), el número 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 relación entre el porciento de corbertura de coral vivo y la profundidad óptica fue significativa (R=0.97, R2= 0.94, p<0.0001), se tomó la determinación de dividir los lugares de estudio en tres grupos ópticos. La relación 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 análisis de ésta en una regresión aún más fuerte. Por lo tanto se determinó la existencia de una fuerte relación inversa entre el Kd y el por ciento de cobertura de coral vivo para las áreas de Ponce, Guayanilla, La Parguera y la Bahía de Mayagüez. Se observó además, que aunque más débil, el Kd estaba inversamente relacionado al incremento de distancia entre los lugares de estudio y la costa. La zonación eufótica fue considerada como el acercamiento más efectivo para la determinación de similitudes biológicas entre las distintas áreas de estudio. La proyección de trabajos futuros debe considerar una evaluación más detallada de ciertos parámetros en el arrecife. En adición, se debe considerar la construcción de modelos predictivos que puedan relacionar el por ciento de cobertura de coral vivo, el Kd y la profundidad óptica con sensores remotos y/o imágenes de satélite.