Ecosystems and their components (e.g., organisms, physicochemical variables) are dynamic in space and time. This dynamism makes ecological change notoriously difficult to study and manage. This thesis therefore aims to develop new ways of using spatiotemporal information for inference and prediction. Applying theoretical and statistical concepts to patterns of spatiotemporal variation in aquatic ecosystems led to three discoveries that show promise as ecological applications. First, I show that temporal variability of an ecosystem process can be inferred from its spatial variability. This application may be the first quantitative form of the widely-used method, space-for-time substitution. Its use is supported by an analytical framework giving the conditions under which space is a good surrogate for time. Second, I demonstrate the use of spatiotemporal patterns to predict responses of variables when ecosystem fragments are connected. Connection leads to large shifts in spatiotemporal pattern and other response metrics (e.g., temporal variability) for variables showing asynchrony and concentration gradients among sites (e.g., populations). Meanwhile, these changes are minimal if variables exhibit synchrony and homogeneity across space (e.g., energetic variables). A final discovery is that temporal attributes like stability are strong predictors of persistent spatial variation – a pattern that reflects how reliably resource concentrations occur in the same locations. This finding suggests the potential of time-for-space substitution, where one or few well-resolved time series could be used to infer landscape patterns. All but one of the tested approaches were data efficient and broadly-applicable across ecosystems and ecological processes. They thus contribute new possibilities for prediction when data are scarce, as well as new perspectives on dynamics in multi-variable landscapes. Research here shows that work at the intersection of spatial and temporal pattern can strengthen the interpretation of ecosystem dynamics and, more generally, foster synthesis from populations to landscapes. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / The physical and biological components of ecosystems are constantly in flux, varying in value among locations (spatially) and over time (temporally). This dynamism makes it difficult to predict current or future behaviours of ecological variables (e.g., population size). This thesis tests the potential of using spatial and temporal patterns to make inferences and predictions about changes in ecological systems. I tested three new theory-based tools in aquatic ecosystems, finding that: The size of temporal fluctuations in an ecosystem variable can be predicted from the size of value-differences among locations; spatial and temporal patterns can predict how a variable responds when isolated fragments of ecosystems are connected; and attributes of ecosystem variables (e.g., their stability) can indicate the likelihood of resources recurring in the same location. Findings show that new insight into spatial and temporal patterns can help prediction and management in complex landscapes.

Based on the concentrations of ten heavy metals (As, Cd, Cr, Cu, Hg, Mn, Ni, Pb, Zn, Fe) in 144 road dust samples collected from 36 sites across 4 seasons from 2016 to 2017 in Beijing, this study systematically analyzed the levels and main sources of health risks in terms of their temporal and spatial variations. A combination of receptor models (positive matrix factorization and multilinear engine-2), human health risk assessment models, and Monte Carlo simulations were used to apportion the seasonal variation of the health risks associated with these heavy metals. While non-carcinogenic risks were generally acceptable, Cr and Ni induced cautionary carcinogenic risks (CR) to children (confidence levels was approximately 80% and 95%, respectively). Additionally, fuel combustion posed cautionary CR to children in all seasons, while the level of CR from other sources varied, depending on the seasons. Heavy metal concentrations were the most influential variables for uncertainties, followed by ingestion rate and skin adherence factor. The values and spatial patterns of health risks were influenced by the spatial pattern of risks from each source.

Marine communities are affected by oceanographic processes, which influence ecological interactions, such as recruitment rates, that are essential regulators of community dynamics. These relationships are not constant; they change in space and time or among taxa. We defend the thesis that oceanographic processes of climatic origin influencing larval abundance at the study region, regulate and establish the trends in settlement and recruitment of invertebrates (cirripeds and bivalves) at rocky shore intertidal. We first investigated the recruitment at different temporal scales and its relationships with physical forcings, chlorophyll-a concentration and sea surface temperature. Second, we focused on the spatial synchrony and contrasts of recruitment, and interspecific trends. Third, we described and evaluated the co-variation between cold fronts and the larval abundance and settlement. We concluded that there is a high degree of correlation between recruitment/settlement and the variation of the wind field, which set temporal trends. Cold fronts are important regulators of settlement, but higher recruitment was associated to NE-E winds. Barnacle recruitment is more susceptible to the environmental variations compared to bivalves. Regional recruitment is not spatially synchronic with differences in the scale of 100 km. This study highlights the importance of oceanic-climatic phenomena as predictors of spatio-temporal trends of recruitment showing that climatic fluctuations might have contrasting effects on rocky shore communities. / As comunidades marinhas são afetadas por processos oceanográficos que influenciam as interações ecológicas, como as taxas de recrutamento, reguladores essenciais da dinâmica dessas comunidades. Essas relações não são constantes, elas mudam no espaço e no tempo, ou entre taxa. Aqui nós defendemos a tese que processos oceanográficos de origem climática, por influenciarem a abundância larval região de estudo, regulam e estabelecem tendências do assentamento e recrutamento de invertebrados (cirripedes e bivalves) do entremarés de costas rochosas. Primeiramente, nós investigamos o recrutamento em diferentes escalas de tempo e sua relação com forçantes físicas, concentração de clorofila-a e temperatura da superfície do mar. Em um segundo momento, nós focamos na sincronia e nos contrastes espaciais do recrutamento, e as tendências inter-específicas. Por fim, descrevemos e avaliamos a co-variância entre frentes frias, abundância larval e assentamento. Concluímos que há um alto grau de correlação entre recrutamento/ assentamento e a variação do campo de ventos, o qual estabelece as tendências temporais. As frentes frias são reguladores importantes do assentamento, mas o recrutamento mais alto está associado a ventos de NE-E. O recrutamento de cirripedes é mais susceptível às variações ambientais se comparado aos bivalves. O recrutamento regional não é sincrônico no espaço, com diferenças na escala de 100km. Este estudo destaca a importância dos fenômenos oceano-climáticos na previsão de tendências espaço-temporais do recrutamento, mostrando que flutuações climáticas podem ter efeitos contrastantes nas comunidades de costas rochosas.

Marine communities are affected by oceanographic processes, which influence ecological interactions, such as recruitment rates, that are essential regulators of community dynamics. These relationships are not constant; they change in space and time or among taxa. We defend the thesis that oceanographic processes of climatic origin influencing larval abundance at the study region, regulate and establish the trends in settlement and recruitment of invertebrates (cirripeds and bivalves) at rocky shore intertidal. We first investigated the recruitment at different temporal scales and its relationships with physical forcings, chlorophyll-a concentration and sea surface temperature. Second, we focused on the spatial synchrony and contrasts of recruitment, and interspecific trends. Third, we described and evaluated the co-variation between cold fronts and the larval abundance and settlement. We concluded that there is a high degree of correlation between recruitment/settlement and the variation of the wind field, which set temporal trends. Cold fronts are important regulators of settlement, but higher recruitment was associated to NE-E winds. Barnacle recruitment is more susceptible to the environmental variations compared to bivalves. Regional recruitment is not spatially synchronic with differences in the scale of 100 km. This study highlights the importance of oceanic-climatic phenomena as predictors of spatio-temporal trends of recruitment showing that climatic fluctuations might have contrasting effects on rocky shore communities. / As comunidades marinhas são afetadas por processos oceanográficos que influenciam as interações ecológicas, como as taxas de recrutamento, reguladores essenciais da dinâmica dessas comunidades. Essas relações não são constantes, elas mudam no espaço e no tempo, ou entre taxa. Aqui nós defendemos a tese que processos oceanográficos de origem climática, por influenciarem a abundância larval região de estudo, regulam e estabelecem tendências do assentamento e recrutamento de invertebrados (cirripedes e bivalves) do entremarés de costas rochosas. Primeiramente, nós investigamos o recrutamento em diferentes escalas de tempo e sua relação com forçantes físicas, concentração de clorofila-a e temperatura da superfície do mar. Em um segundo momento, nós focamos na sincronia e nos contrastes espaciais do recrutamento, e as tendências inter-específicas. Por fim, descrevemos e avaliamos a co-variância entre frentes frias, abundância larval e assentamento. Concluímos que há um alto grau de correlação entre recrutamento/ assentamento e a variação do campo de ventos, o qual estabelece as tendências temporais. As frentes frias são reguladores importantes do assentamento, mas o recrutamento mais alto está associado a ventos de NE-E. O recrutamento de cirripedes é mais susceptível às variações ambientais se comparado aos bivalves. O recrutamento regional não é sincrônico no espaço, com diferenças na escala de 100km. Este estudo destaca a importância dos fenômenos oceano-climáticos na previsão de tendências espaço-temporais do recrutamento, mostrando que flutuações climáticas podem ter efeitos contrastantes nas comunidades de costas rochosas.

Submitted by Caroline Falcao (caroline.rfalcao@ufpe.br) on 2017-05-22T17:05:47Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Lacerda2014 (versão BC).pdf: 15671958 bytes, checksum: bd96e677f6b27688458828455de7708d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-22T17:05:47Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) Tese_Lacerda2014 (versão BC).pdf: 15671958 bytes, checksum: bd96e677f6b27688458828455de7708d (MD5) Previous issue date: 2014 / As zonas costeiras são consideradas áreas de transição entre os domínios continental e marinho, apresentando alta complexidade e dinamismo. Representando aproximadamente 10% das áreas emersas habitáveis, abrigam atualmente cerca de dois terços da população mundial proporcionando inúmeros serviços econômico-sociais a sociedade humana, que em constante expansão sobrecarrega cada vez mais esses ambientes que exercem papéis ecológicos fundamentais na manutenção da biodiversidade (e produtividade) local e de ecossistemas adjacentes (terrestre e marinho). Dentre os diferentes ecossistemas costeiros, os sistemas estuarinos são bastante conhecidos por estarem presentes em praticamente toda a costa brasileira, assim como por apresentarem grande importância ecológica, econômica e social. Na costa nordeste do Brasil muitos ecossistemas estuarinos ainda encontram-se pouco ou até mesmo não estudados, deixando uma lacuna nos estudos ecológicos referentes a esses ecossistemas que além de grande dinamismo também apresentam muitas particularidades, principalmente ao longo dessa região (NE) onde a plataforma continental é mais estreita. Dessa forma, durante o período de doze meses o habitat praia estabelecido na porção externa do estuário do Rio Goiana foi amplamente estudado, tendo como objetivo principal, avaliar o potencial desse ambiente como berçário para as assembleias de peixes. Um total de três desenhos amostrais foram elaborados e executados nas praias adjacentes a foz do Rio Goiana. A partir do esforço amostral, aspectos relacionados à composição e dinâmica da comunidade de fauna, assim como, características morfodinâmicas e ambientais, foram descritos pela primeira vez nesse habitat, que atualmente encontra-se sob a condição de Reserva Extrativista (RESEX Acaú-Goiana). Foi identificado que as praias adjacentes ao estuário ocorrem junto a um extenso terraço de baixa-mar, cortado pelo canal principal do rio ao longo da margem sul do estuário. Por se tratar de um ambiente dominado pela maré, diferentes ciclos ambientais como o ciclo lunar e circadiano, apresentaram grande influencia nos padrões das variáveis ambientais (salinidade, temperatura da agua, oxigênio dissolvido e profundidade), assim como, no uso do habitat pelas diferentes espécies da fauna. A diferença no regime de chuvas ao longo do ciclo sazonal mostrou-se determinante na composição da comunidade biótica das praias, dominadas por espécies estuarinas durante a estação chuvosa, e abrigando um maior número de espécies costeiras durante a estação seca. Esse ciclo sazonal do habitat, estimulado pelas oscilações de variáveis ambientais como salinidade e temperatura, permite que o habitat contemple um maior número de espécies, e aumenta a eficiência do fluxo de energia entre a porção interna do estuário e habitats costeiros adjacentes. A porção externa do estuário do Rio Goiana proporciona um extenso habitat de aguas rasas, ideal para o desenvolvimento inicial de varias espécies de peixes e crustáceos. É nesse habitat, que o berçário de espécies chave para a subsistência de famílias tradicionais como, Mugil spp. e Callinectes danae ocorre. O grande acúmulo de matéria orgânica, típico de terraços de maré, associado às baixas profundidades e transparência, promovem proteção e recursos alimentares para inúmeras espécies em desenvolvimento inicial, se apresentando assim, como uma importante alternativa de berçário para as assembleias de peixes e crustáceos. As praias estudadas podem exercer um importante papel na manutenção da biodiversidade do ecossistema estuarino e adjacente. As informações levantadas no presente estudo são inéditas, podendo servir de auxilio aos órgãos competentes, em seus planos de manejo de ecossistemas costeiros em unidades de conservação. / Coastal areas are considered transition zones between continental and marine environments, with high complexity and dynamism. Representing approximately 10% of the habitable emerged areas, currently home to about two-thirds of the world population providing numerous services (economic and social) to human society, which in constantly expanding, overwhelms these environments which performing key ecological roles in the maintenance of local biodiversity (and productivity ) and in the adjacent ecosystems (terrestrial and marine). Among the different coastal ecosystems, estuarine systems are well known to be present in practically the entire Brazilian coast, as well as presenting ecological, economic and social services. On the northeast coast of Brazil many estuarine ecosystems are still little or even not studied, leaving a gap in ecological estuarine studies, especially over this region (NE), where the continental shelf is narrower providing many particularities to this ecosystems. So, during the twelve-month period, the beach habitat established in the outer portion of the estuary Goiana was widely studied, with the main purpose of evaluating the potential of this environment as a nursery for fish assemblages. A total of three sampling designs were developed and implemented in the sandy beaches adjacent to Goiana River’s mouth. Aspects related to the composition and dynamics of the faunal community, as well as, morphodynamic and environmental features, were described for the first time in this area, a Marine Conservation Unit, of type Extractive Reserve (RESEX Acaú-Goiás). It was identified that the adjacent estuarine beaches occur along an extensive low tide terrace, crossed by the Goiana main channel along the southern shore. As a tide dominated environment, different environmental cycles, such as circadian and lunar cycle, had great influence on the patterns of environmental variables (salinity, water temperature, dissolved oxygen and depth), as well as in habitat use by different fauna species. The differences in rainfall regime along the seasonal cycle, proved decisive in the composition of the biotic community, dominated by estuarine species during the rainy season, and harboring a greater number of coastal species during the dry season. This seasonal cycle of the habitat, allows the sandy beaches to contemplate a larger number of species, and increases the efficiency of energy flow between the inner portion of the estuary and adjacent coastal habitats. The outer portion of Goiana River estuary provides an extensive shallow water habitat, ideal for the initial development of various species of fish and crustaceans. In this habitat, the nursery of key species for the livelihoods of traditional families as Mugil spp. and Callinectes danae occurs. The large accumulation of organic matter (wrack), typical of tidal terraces, associated to lowest depths and water transparency, promote protection and food resources for many species in early development, presenting as an important alternative nursery and feeding site for fish and crustaceans species. Thus, the sandy beach habitat plays an important role in the livelihood of the local community, as well as in maintaining the biodiversity of estuarine-coastal continuum. The information gathered in this study, should be taken into account by environmental agencies in their planning of coastal ecosystems.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Crustacea is mentioned as a dominant group in almost all continental shelf environments around the Brazilian coast and the taxonomic group with more studies. However, the carcinofauna of some Brazilian shelfs are poorly known, such as Sergipe state. The aim of this study is contribute for the knowledge of Crustacea, components of benthic megafauna from continental shelf of Sergipe and understand how populations communities vary spatially and temporally. The crustaceans were collected with otter trawl in two different seasonal periods, 18 stations between 36°32'W 10°36'S e 37°05’W 11°21’S distributed in 6 transects and in 10, 20 and 30 m isobaths, for a total of 72 stations sampled, between the years 1999 and 2000. Environmental parameters from water and sediment were collect in each station. In laboratory, the organisms were identified to species level and analyzed in terms of richness, abundance and biomass, and the community in terms of diversity indices, equitativity, frequency of occurrence and relative importance indices. The Crustacea was represented by 62749 individuals, distributed in 71 taxa, 199.97 kg of biomass and 77.81km² of density. The collected organisms are representatives of 2 orders, 4 infraorders, 25 families, 46 genus and 64 species. Brachyura presented the greatest number of taxa with 39, followed by Caridea with 12, Dendrobranchiata with 9, Anomura with 7, Stomatopoda with 2 and Achelata with 1. The community was abundant and displayed considerable richness; however, diversity and equitability were low, showing the dominance of the species X. kroyeri, N. schmitti, L. schmitti, F. schmitti and C. ornatus. The fauna varied in space and time and the main abiotic parameters that explain these variations were depth, temperature and the bottom type, especially coarser sediments with high levels of sand and gravel. Six species of Crustacea were recorded for the first time from Sergipe continental shelf, 3 Brachyura (Allactaea lithostrota, Coryrhynchus riisei e Ericerodes minusculus), 2 Caridea (Alpheus armillatus, A. cf. packardii e A. intrisecus) e 1 Stomatopoda (Squilla brasiliensis). / Os crustáceos são citados como grupo dominante em quase todos os ambientes de plataforma ao longo do litoral brasileiro, sendo também o grupo com maior volume de trabalhos realizados. No entanto, algumas plataformas brasileiras ainda têm sua carcinofauna precariamente desconhecida, como é o caso de Sergipe. Nesse sentido, esse trabalho visa contribuir para o conhecimento dos Crustacea, componentes da megafauna bêntica, da plataforma continental de Sergipe, bem como entender como as populações que compõe essa comunidade se distribuem espacial e temporalmente ao longo da plataforma. Os crustáceos foram coletados a partir de arrastos duplos com rede de arrasto pesqueiro em quatro campanhas amostrais entre 1999 e 2000, em 18 estações entre 36°32'W 10°36'S e 37°05’W 11°21’S distribuídas em seis transectos, nas isóbatas de 10, 20 e 30 m, totalizando 72 estações amostradas. Também foram coletados os parâmetros ambientais da água e do sedimento para cada estação. Os organismos foram identificados até o nível de espécie, utilizando literatura taxonômica específica, e analisados em termos de riqueza, abundância e biomassa e, a comunidade foi analisada a partir dos índices de diversidade, equitatividade, frequência de ocorrência e índice de importância relativa. A fauna de Crustacea esteve representada por 62749 indivíduos distribuídos em 71 táxons que somaram 199.97 kg de biomassa úmida e uma densidade de 77.81 ind./km². Os organismos coletados são representantes de 2 ordens, 4 infraordens, 25 famílias, 46 gêneros e 64 espécies. Dos grupos principais de Crustacea, Brachyura apresentou maior número de táxons com 39, seguido de Caridea com 12, Dendrobranchiata com 9, Anomura com 7, Stomatopoda com 2 e Achelata com 1. A comunidade estudada foi abundante e com uma riqueza considerável, mas a diversidade e equitatividade da fauna foram baixas, evidenciando a dominância das espécies X. kroyeri, N. schmitti, L. schmitti, F. schmitti e C. ornatus para a fauna de Crustacea da plataforma continental. A fauna variou em função do tempo e do espaço e os principais parâmetros abióticos que explicaram essas variações foram a profundidade, a temperatura e o tipo de fundo, principalmente os sedimentos mais grossos com altos teores de areia e cascalho. Dentre os Crustacea identificados, foram registrados pela primeira vez para a plataforma continental de Sergipe seis espécies, sendo 3 Brachyura (Allactaea lithostrota, Coryrhynchus riisei e Ericerodes minusculus), 2 Caridea (A. cf. packardii e A. intrisecus) e 1 Stomatopoda (Squilla brasiliensis).