Rapp. Comm. int. Mer Médit., 36,2001

353

The changes in phytoplankton communities that can be used for water

quality assessment depend on the initial structure of the community and its

response to exogenous stress factors [1]. Consequently, the development of

analytical procedures for the study of phytoplankton community structure

should take into account both the significance of the baseline information

collected from unimpacted (control) sites and the divergence between

these reference levels and data from affected areas. The main objective of

the present work was the evaluation of the effectiveness of four similarity

indices, measuring interspecific association and resemblance of phyto-

plankton communities between polluted and control sites, in order to gen-

erate a sensitive methodology that detects eutrophic trends and classifies

properly different pollution levels. 

Study areas

The first study area was the gulf of Gera, Island of Lesvos, Greece, a

semi-enclosed water body surrounded by an intensively cultivated and

inhabited watershed. The experimental procedure and further details con-

cerning ecosystem’s properties have been described elsewhere [2]. Data

collection was based on seventeen cruises that were carried out on a month-

ly basis from June 1996 to October 1997. Samples have been collected from

eight sampling stations [GG1] to [GG8], that are shown in Figure 1; six sta-

tions [GG3]-[GG8] were located inside the gulf, whereas the rest two were

situated in the entrance (station [GG2]) and outside of the gulf (station

[GG1]), the latter used as control site. The second data collection was car-

ried out on a monthly basis during May 1983-April 1984 at ten stations

(Fig. 1) situated along the coastal area of the city of Rhodes, Island of

Rhodes, Greece, as detailed described in a previous paper [3]. Stations

[RH3], [RH4] and [RH5] were located in the vicinity of harbours, defin 

i 

n 

g

the upper eutrophication limits in the area. Two stations ([RH7] and [RH9])

located about one mile offshore (in an area with intense circulation and

depth greater than 200 m) were chosen as the control sites (the baseline

information of the system); the remaining stations were spaced out

nearshore used for swimming and other recreational activ 

i 

t 

i 

e 

s 

.

Phytoplankton community similarity indices. 

Four similarity indices, quantifying the contribution of each species to the

total phytoplankton biomass, were used as estimators of the resemblance

among discharged areas and control sites. These similarity indices were [4]:

where x

i

, y

i

the abundances of the ith phytoplankton species in the two

sampling sites, T the subset of species occurring in both samples, U and V

those occurring in one or other only.These indices represent wider cate-

gories of resemblance measures, varying in terms of a) the assigned prior-

ities in the deviations among the abundant (i.e. Ruzicka’s index) and rare

(i.e. Camberra metric) species or b) the different (i.e. Ellenberg’s index) or

the same (Bray-Curtis’index) processing of the common and non-common

subcategories. Cluster analysis was applied for each index to study the

grouping of the stations. The Euclidean distance was used as a similarity

measure and the group average distance was chosen as the clustering algo-

rithm, since this clustering technique introduces relatively little distortion

to the relationships between stations. 

Results and discussion

The application of the similarity indices in the specific areas, which in

fact implies the comparison of the discharged stations in terms of their

resemblances to the control sites, is illustrated in Figure 2. This represen-

tation involves the classification results derived from Ellenberg’s, index,

but analogous inferences could be extracted from the rest similarity mea-

sures. It can be seen that the internal stations of Gera have formed two dis-

tinct groups: the group of the stations [GG5], [GG6], [GG7] located at the

northwestern part of the gulf and the group of the stations [GG3], [GG4],

[GG8] characterizing the southeastern spatial compartment of the area,

whereas the station [GG2] at the entrance of the gulf exposed a discrete

performance of its phytoplankton community.This clear-cut grouping of

the internal stations is attributed mostly to the differences of the nutrient

discharges from the respective segments of the watershed in combination

with the circulation pattern of the gulf that leads to an inadequate renewal

of the seawater of the inner parts, especially during the periods of limited

exchanges with the open sea. In a similar way, the classification patterns of

the coastal area of Rhodes indicated a clear distinction between polluted

sites [RH3], [RH4], [RH5] near the harbour and the sites used for swim-

ming and other recreational activities [RH1], [RH2], [RH6], [RH8],

[RH10] which were clumped into a single group at a mean level of 40 to

50 % of similarity. Conclusively, the similarity indices, as measures of the

deviations among affected and control sites, seem to be a sensitive method-

ology for water characterization that enables the generation of rational

hypotheses concerning spatial dissimilarities in the structure of phyto-

plankton communities. 

References

1. Boyle T.P., Smillie G.M., Anderson J.D. and Beeson D.R., 1990. A

sensitivity analysis of nine diversity and seven similarity indices. J.Wat.

Pollut. Cont. Fed., 62: pp. 749-762.

2. Arhonditsis G., Tsirtsis G., Angelidis M. and Karydis M., 2000.

Quantification of the effects of non-point nutrient sources to coastal marine

eutrophication: Applications to a semi-enclosed gulf in the Mediterranean Sea.

Ecol. Model., 129: pp. 209-227.

3. Karydis M., 1992. Scaling methods in assessing environmental quality: A meth-

o-dological approach to eutrophication. E 

nv 

i 

ron. Monitor. A 

s 

s 

e 

s 

s 

., 22: 123-136.

4. Legendre L. and Legendre P., 1983. Numerical Ecology. Elsevier Science

Publications, Amsterdam.

PHYTOPLANKTON COMMUNITY SIMILARITY INDICES: A NEW METHODOLOGY FOR DETECTING

EUTROPHICATION TRENDS IN COASTAL MARINE ECOSYSTEMS

G. Arhonditsis

1

, M. Karydis

2

and G. Tsirtsis

3*

Department of Marine Sciences, University of the Aegean, Mytilene, Greece - garh@env.aegean.gr

Abstract

Four similarity indices based on phytoplankton community structure were examined for their sensitivity to assess different levels of

eutrophication. Two phytoplankton data sets, one from an open coastal system and one from a semi-enclosed gulf, associated with different

nutrient dynamics and circulation patterns were used for evaluating the indices. The results have indicated that similarity indices,

measuring interspecific association and resemblance of phytoplankton communities between discharged areas and control sites, were

effective for detecting spatial and temporal dissimilarities in coastal marine ecosystems. 

Keywords: Eutrophication, phytoplankton, coastal waters, Aegean Sea.

S

min(x

i

+ y

i

)

i

e

T

SI

EL

=2.

S

x

i

+ 2.

S

y

i

-

S

(x

i

+ y

i

)

i

e

Ui

e

Vi

e

T

Figure 1. The gulf of Gera and the coastal area of the city of Rhodes:

S

?

x

i

- y

i

?

SI

BC

=

i

S

(x

i

+ y

i

)

i

S

min(x

i

, y

i

)

i

SI

RU

=

S

x

i

+

S

y

i

-

S

min(x

i

,y

i

)

i          i          i

(1) Ruzicka’s index : 

(2) Canberra metric :

?

x

i

- y

i

?

SI

CA

=

S

i

[

(x

i

+ y

i

)

]

(3) Ellenberg’s index : 

(4) Bray-Curtis’index :

Figure 2. Grouping of a) the internal stations of the gulf of Gera and b)

the nearshore stations of Rhodes. The resemblance measure among the

stations and the reference site was Ellenberg’s index.