APPLYING THE ECOPATH ECOSYSTEM MODELLING APPROACH TO THE MEDITERRANEAN BASIN

Yvette Rizzo* and Daniel Pauly

Fisheries Center, University of British Columbia, Vancouver, Canada

Abstract

This paper discusses the applications of the Ecopath-with-Ecosim ecosystem modelling approach to assess the role of fisheries targeting

top-predators as drivers of ecological change across the Mediterranean basin. The Ecopath model consists of a generic basin-wide model,

with large pelagic, highly-migratory species as key functional groups. The ways in which this model can be used to assess fisheries impacts

on the ecosystem at the basin level was outlined. 

Keywords: Mediterranean Sea; Ecosystem impacts; Fisheries; Ecopath

Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

428

Introduction 

The Mediterranean Sea is undergoing a fundamental ecosystem

change (1), a consequence of environmental and human factors acting

on the local, regional and global scales. Fisheries is one key factor that

is known to impact marine ecosystems worldwide, yet despite its

importance in driving ecosystem changes very few studies have tack-

led fisheries impacts at the basin-ecosystem level in the

Mediterranean Sea. Landings of capture fisheries provide an indica-

tion of the possible impacts of fisheries on the ecosystem. The mean

trophic level of landings from the Mediterranean has significantly

decreased over the last fifty years (2). This implies an increasing

diversity of species in landings composition possibly a result of fish-

ing-down-the-food-web but also of other factors including changes in

primary production, changes in exploitation patterns and the introduc-

tion of new gear technologies (3, 4). 

The Ecopath-with-Ecosim (EwE) ecosystem modelling approach

has been used to assess the trophic impacts of fisheries across a range

of geographical and temporal scales (5). 

This paper highlights the possible applications of an Ecopath model

for the Mediterranean ecosystem in assessing the role of fisheries tar-

geting top-predators as drivers of ecological change in the basin. 

Modelling protocol

The Ecopath model for the entire Mediterranean basin is generic

and represents an annual average of the present-day ecosystem. The

model structure is primarily based on communities of the central

region, which is considered to be “typical” Mediterranean and not sig-

nificantly in?uenced by adjacent seas as are the extreme ends of the

basin (1). It includes both coastal and offshore components and

describes predator-prey interactions between functional groups

(aggregates of similar species) across the food-web. The model incor-

porates all species of commercial importance with the primary focus

on large pelagic, highly migratory species. Key functional groups are

top-predators of commercial importance in the Mediterranean and

include bluefin tuna, swordfish, albacore, bonito, other tuna-like

species, billfishes and sharks. 

Applications of the model

At this geographical scale the Mediterranean model represents a

gross simplification of ecological interactions that occur at the local

and individual-species level. However it provides a tool to assess fish-

ery-mediated trophic responses of the ecosystem at the larger geo-

graphical scale in the Mediterranean. The geographical range of large-

pelagic fish spans the whole basin. These species constitute an impor-

tant biological link between coastal and offshore sub-systems and

support an important fishery in the Mediterranean, with very high lev-

els of exploitation. Their biological characteristics and the importance

of the fishery targeting them implies potentially significant ecosystem

impacts at the basin level resulting from the fishery.

The Ecopath model is the basis for simulated fisheries experiments

using Ecosim, the dynamic component of the model. Ecosim simula-

tions show the extent of top-down control mechanisms and the type of

cascade effects occurring across the food-web. Fisheries simulation

experiments identify target and non-target functional groups in the

Mediterranean coastal and offshore areas that are likely to be vulner-

able to fishing of bluefin tuna, swordfish and other top-predators, as

well as those which are likely to benefit. The simulations also high-

light key ecosystem linkages and functional groups that are vital to

ensure ecosystem integrity.

Ecopath incorporates a number of routines based on classical theo-

retical ecology that quantify ecosystem properties such as gross pri-

mary production, respiration and biomass, total system throughput

and system ratios (e.g. Production/Respiration, Biomass/Respiration,

etc.) (6). Quantification of ecosystem attributes for the Mediterranean

Sea provides a general measure of the status of ecosystem health and

provides useful ecosystem indicators. The change in such ecosystem

indicators as a result of different top-predator harvesting strategies

re?ects the extent to which such fishing can alter the general structure

and performance of the ecosystem. 

A third application of the model concerns the role of coastal nutri-

ent enrichment from land discharges in enhancing the overall produc-

tivity across the basin (7). The key issue with respect to fisheries

impacts is the relative importance of bottom-up and top-down controls

in promoting ecosystem changes at the Mediterranean basin level.

Ecosim time-dynamic simulations are used to compare the responses

of the ecosystem to increasing fishing pressure on top-predators (top-

down control) with ecosystem responses to increased nutrient enrich-

ment (bottom-up control). The latter can be simulated in Ecosim

through a forcing function. Comparing the results of model simula-

tions to the actual trends in the Mediterranean where available, leads

to a better understanding of the underlying ecological mechanisms

that prevail at this geographical scale and hence of the role that fish-

ing at the top of the food-web has in modifying marine ecosystems as

opposed to environmental factors. 

Conclusions

The large pelagics of the Mediterranean Sea constitute a shared

resource that supports high value fisheries, however, declines in land-

ings in recent years despite increasing fishing effort and a high inci-

dence of juveniles and small fish in the catch indicate that the resource

is overexploited. This trend is likely to continue in the future, with lit-

tle control over fishing effort. There is therefore a real need to under-

stand how the Mediterranean ecosystem could respond to high fishing

pressure at the top of the food-web. Ecopath-with-Ecosim provides

the ideal simulation tool in this context and the results will not only

shed light on the role fisheries have in modifying ecosystems at the

basin level; they can also provide a general framework for the devel-

opment of strategic fisheries policy in the Mediterranean basin. 

References

1-Bianchi, C. N. and Morri, C., 2000. Marine Biodiversity of the

Mediterranean Sea: situation, problems and prospects for future research.

Mar. Pollut. Bull.,40(5): 367-376.

2-Pauly, D., V. Christensen, Dalsgaard, J., Froese, R. and Torres, F. Jr.,

1998. Fishing Down Marine Food Webs. Science,279: 860-863.

3-Pinnegar, J.K., Polunin, N.V.C. and Badalamenti, F., 2003. Long-term

changes in the trophic level of western Mediterranean fishery and

aquaculture landings. Can. J. Fish. Aquat. Sci., 60: 222-235.

4-Caddy, J.F. and Garibaldi, L., 2000. Apparent changes in the trophic

composition of world marine harvests: the perspective from the FAO

capture database. Ocean Coast. Manage., 43: 615-655.

5-Pauly, D., V. Christensen, and Walters, C., 2000. Ecopath, Ecosim, and

Ecospace as tools for evaluating ecosystem impact of fisheries. ICES J.

Mar. Sci.,57: 697-706.

6-Christensen V., 1995. Ecosystem maturity – towards quantification.

Ecol. Model.,77: 3-32.

7-Caddy, J. F., R. Refk, and Do-Chi, T., 1995. Productivity estimates for

the Mediterranean: evidence of accelerating ecological change. Ocean

Coast. Manage., 26(1): 1-18.