Ecosystem dynamics and trophic cascades in shallow rocky reefs under different protection regimes: a case study from the Mediterranean marine protected area of Tavolara - Punta Coda Cavallo

Marine Protected Areas (MPAs) are largely considered effective management tools to foster the recovery of overexploited population. The broad question underlying this analysis is whether MPAs can be effective in reversing negative ecosystem-wide consequences of excessive fishing pressure on sea urchin predators (e.g., Diplodus spp.) in shallow rocky reefs. Indeed, when their populations are depleted by overfishing, they fail to exert a control upon sea urchins, which are allowed to thrive and grow in density. In many Mediterranean sites, this has resulted into excessive grazing pressure of sea urchins on erect macroalgal species, ultimately causing the depletion of underwater forests and the ensuing loss of ecosystem services. This cause-effect chain linking predators, sea urchins and macroalgae is an example of trophic cascade. In this work, we analyse the effects of protection on populations of sea urchin predators in the MPA of Tavolara – Punta Coda Cavallo (Sardinia, Italy), from 2005 to 2021. Overall, our results highlight rather rapid and long-lasting effects of full protection on density, biomass and size of the analysed species. Partially protected zones did not differ from unprotected ones when data were expressed in terms of density, while some small but statistically significant difference was observed when biomass data were used. Estimated mortality rates for commercially important species are significatively higher in unprotected zones than in fully protected ones, further confirming the efficacy of protection. In the analysed reserve, predator densities reached under full protection regime are considered sufficient to control sea urchin populations. Hence, there are chances for positive effects of protection to extend to macroalgal forests, although further field research is needed to support this hypothesis.

Le aree marine protette (AMP) sono ampiamente considerate degli strumenti di gestione efficaci nel supportare il recupero di popolazioni sovrasfruttate. La questione fondamentale da cui prende le mosse questa analisi è la valutazione del potenziale delle AMP nel riparare le conseguenze negative su scala ecosistemica dell’eccessiva pressione di pesca sui predatori dei ricci (es., Diplodus spp.) nei fondali marini rocciosi superficiali. Se sovrasfruttate da operazioni di pesca, queste popolazioni non riescono più ad esercitare un controllo di predazione efficace sulle popolazioni di riccio di mare, a cui viene quindi concesso di espandersi. In molti siti nel mar Mediterraneo, questo processo ha condotto ad una eccessiva pressione di pascolo da parte dei ricci su alcune specie di alghe erette, causando così una riduzione delle foreste sottomarine e la conseguente perdita di servizi ecosistemici. Questa catena di relazioni causa-effetto che unisce predatori, ricci di mare e alghe è un esempio di cascata trofica. In questo lavoro analizziamo gli effetti della protezione sui predatori dei ricci di mare nell’AMP di Tavolara – Punta Coda Cavallo (Sardegna), dal 2005 al 2021. Nel complesso, i risultati evidenziano come la protezione integrale abbia consentito una ripresa piuttosto rapida e dagli effetti duraturi delle popolazioni prese in esame, in termini di densità, biomassa e taglie. Le zone a protezione parziale, invece, non presentano differenze sostanziali rispetto alle aree non protette in termini di densità, mentre alcune differenze piccole ma statisticamente significative sono osservabili in termini di biomassa. I tassi di mortalità stimati per le specie ad alto valore commerciale risultano molto maggiori nelle aree non protette rispetto a quelle a protezione integrale, confermando ulteriormente l’efficacia della protezione. Nella AMP analizzata, le densità di predatori raggiunte in regime di protezione integrale sono considerate sufficienti a garantire il controllo delle popolazioni di riccio di mare. C’è quindi la possibilità che gli effetti positivi della protezione si estendano alle foreste di macroalghe, sebbene ulteriori analisi sperimentali siano richieste per confermare questa ipotesi.