The effectiveness of marine reserve systems constructed using different surrogates of biodiversity

Abstract

Biological sampling in marine systems is often limited, and the cost of acquiring new data is high. We sought to assess whether systematic reserves designed using abiotic domains adequately conserve a comprehensive range of species in a tropical marine inter-reef system. We based our assessment on data from the Great Barrier Reef, Australia. We designed reserve systems aiming to conserve 30% of each species based on 4 abiotic surrogate types (abiotic domains; weighted abiotic domains; pre-defined bioregions; and random selection of areas). We evaluated each surrogate in scenarios with and without cost (cost to fishery) and clumping (size of conservation area) constraints. To measure the efficacy of each reserve system for conservation purposes, we evaluated how well 842 species collected at 1155 sites across the Great Barrier Reef seabed were represented in each reserve system. When reserve design included both cost and clumping constraints, the mean proportion of species reaching the conservation target was 20–27% higher for reserve systems that were biologically informed than reserves designed using unweighted environmental data. All domains performed substantially better than random, except when there were no spatial or economic constraints placed on the system design. Under the scenario with no constraints, the mean proportion of species reaching the conservation target ranged from 98.5% to 99.99% across all surrogate domains, whereas the range was 90–96% across all domains when both cost and clumping were considered. This proportion did not change considerably between scenarios where one constraint was imposed and scenarios where both cost and clumping constraints were considered. We conclude that representative reserve systems can be designed using abiotic domains; however, there are substantial benefits if some biological information is incorporated. La Efectividad de los Sistemas de Reservas Marinas que Utilizan Sustitutos de la Biodiversidad Diferentes El muestreo biológico en los sistemas marinos generalmente es limitado, y el costo de adquirir nuevos datos es alto. Buscamos evaluar si las reservas sistemáticas diseñadas usando dominios abióticos conservan adecuadamente una gama completa de especies en un sistema marino tropical inter-arrecifal. Basamos nuestra evaluación en datos de la Gran Barrera de Coral, Australia. Diseñamos sistemas de reservas con miras a conservar el 30% de cada especie, con base en cuatro tipos de sustitutos abióticos (dominios abióticos; dominios abióticos sopesados; bioregiones pre-definidas; y selección azarosa de áreas). Evaluamos a cada sustituto en escenarios con y sin costos (costo para la industria pesquera) y restricciones de amontonamiento (tamaño del área de conservación). Para medir la eficiencia de cada sistema de reservas para propósitos de la conservación, evaluamos cuán bien representadas fueron 842 especies colectadas en 1155 sitios en cada sistema de reservas a lo largo del lecho marino de la Gran Barrera de Coral. Cuando el diseño de la reserva incluyó tanto al costo como a las restricciones de amontonamiento, la proporción media de especies que alcanzó el objetivo de conservación fue 20–27% más alta para los sistemas de reservas que fueron informados biológicamente que para las reservas diseñadas usando datos ambientales sin peso. Todos los dominios se desempeñaron sustancialmente mejor que el azar, excepto cuando no hubo restricciones espaciales o económicas puestas sobre el diseño del sistema. Bajo este escenario sin restricciones, la proporción media de las especies que alcanzó el objetivo de conservación se ubicó en un rango de 98.5% y 99.99% a lo largo de todos los dominios sustitutos, mientras que el rango fue de 90–96% a lo largo de todos los dominios cuando se consideraron el costo y el amontonamiento. Esta proporción no cambió considerablemente entre los escenarios en los que se impuso una restricción ni en los escenarios en los que tanto el costo como las restricciones de amontonamiento fueron considerados. Concluimos que los sistemas representativos de reservas pueden diseñarse usando dominios abióticos; sin embargo, hay beneficios sustanciales si se incorpora alguna información biológica. Disclaimer: Supplementary materials have been peer-reviewed but not copyedited. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.