universidade de lisboa faculdade de ciÊncias …

75
UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL VERTICAL DYNAMICS OF PLANKTONIC COMMUNITIES AT SOFALA BANK, MOZAMBIQUE Miguel Albuquerque da Costa Leal MESTRADO EM ECOLOGIA MARINHA 2009

Upload: others

Post on 16-Oct-2021

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VERTICAL DYNAMICS OF PLANKTONIC

COMMUNITIES AT SOFALA BANK, MOZAMBIQUE  

 

 

 

Miguel Albuquerque da Costa Leal

MESTRADO EM ECOLOGIA MARINHA

2009

 

Page 2: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 3: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 4: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 5: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA ANIMAL  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VERTICAL DYNAMICS OF PLANKTONIC

COMMUNITIES AT SOFALA BANK, MOZAMBIQUE  

 

Dissertação orientada pelos:

Professor Doutor José Paula

Professora Doutora Vanda Brotas

 

 

Miguel Albuquerque da Costa Leal

MESTRADO EM ECOLOGIA MARINHA

2009

 

Page 6: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 7: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 

 

Acknowledgements 

To all people that in some way contributed to this work, I express my sincere gratitude, especially to: 

 

Professor  Doutor  José  Paula,  for  taking  a  chance  on  me  and  for  all  the  support,  supervision, 

confidence,  friendship and transfer of knowledge, but most of all  for his  joviality and all  the  joyfull 

moments, which turned this hard and serious work into a delightful and pleasant learning process. 

Professora  Doutora  Vanda  Brotas,  for  having  accepted  to  guide  this  thesis  and  for  the  support, 

recommendations  and  companionship,  for  believing  in  me  and  also  for  spending  some  of  her 

precious (and little) time with me. 

Carolina Sá and Rafael Mendes, without whom part of this work would never be possible, for all the 

trust,  patience,  and  time  spent  on  laboratory,  as well  for  the  friendship,  support  and  enthusiasm 

during this work, even in the hardest moments. 

All people onboard the R/V “Dr. Fridtjof” Nansen, for the collaboration during sample period, namely 

Jens‐Otto Krakstad and Diana Zaera,  for  the nice discussions and help with paperwork, and also  to 

Carlos  Bento,  Domingos  Zacarias  e  Zé  Chamuse  for  their  very  important  help  on  the  sampling 

process. 

Sónia Nordez and Maurício Lipassula, for their help processing plankton samples in Lisbon; to James 

Mwaluma,  for  the  larval  fish  identification;  and  to  Paulo Oliveira  for  his  expertise  on  current  data 

interpretation. 

All  the  people  of  the  LMG,  namely  Ricardo  Mendes,  Gil  Penha‐Lopes  and  Laura  Antão,  for  the 

friendship and nice chats when difficult choices had to be made. 

Bruno Jesus, for his patience in teaching me the world of R and statistics, which definitively was very 

important for the statistical and graphical analysis. 

All my  friends, both  from the University and Ponto Zero,  for all  the  joy and happiness and also  for 

encouraging and cheering me up in my worst days. Special thanks to my truly friend Vasco Mota, for 

Page 8: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 ii 

all  the  articles  he  sent  me  from  the  Netherlands  and,  most  of  all,  for  his  friendship  and  nice 

discussions. 

My  Family,  for  the  unconditional  support,  concern,  care,  recommendations  and  patience.  Special 

thanks to my mother, father and sister for accepting those (long) periods  in which I’m not present, 

for  teaching me  the  importance of organization at work,  discipline and  timings,  but  essentially  for 

what  I am today;  to my uncle  João Martins  for  the nice chats, holidays and gym classes  that were 

essential to my welfare and mental sanity; to my uncle João Caraça, for the conversations that gave 

me  a  scientific  view of  this world;  and  also  to my uncle  Luis  Leal,  for my  initiation  to  biology  and 

kindle my interest in become a marine biologist, and to the discussions and stories about the natural 

world, which are the reason for my interest  in biology and curiosity to explore and understand our 

natural world. 

At  last,  but  not,  by  any means,  less  important,  to Marta, my  source  of motivation  to  be  a  better 

person  and  a  hard  working  scientist,  for  all  the  love,  care,  patience  and  trust,  for  providing  me 

everyday with a smile  in my face and for making me understand how much this  life  is worth living. 

Thank you for being here! 

 

Page 9: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 

 

iii 

Resumo 

As zonas costeiras são ecossistemas de grande importância para as actividades humanas, onde se 

desenrolam  complexos  processos  naturais  com  elevada  variabilidade  espacial  e  temporal.  Destes 

processos,  com  particular  importância  para  a  geração  de  recursos,  destacam‐se  os  fenómenos  de 

maré e as correntes costeiras, que, entre outros factores, estão fortemente associados às variações 

das  propriedades  físico‐químicas  da  massa  de  água  costeira  (p.e.  temperatura,  salinidade  e 

nutrientes). Consequentemente, esta variabilidade  influencia as diferentes  comunidades que estão 

na base dos ecossistemas marinhos,  como as  comunidades  fito‐  e  zooplanctónicas,  assim como as 

larvas de peixes e de invertebrados marinhos. É de salientar que, no que respeita aos processos bio‐

ecológicos das larvas de peixes e de invertebrados marinhos, a variação na abundância e padrões de 

distribuição na zona costeira está fortemente dependente de fenómenos como os ventos e correntes 

que,  entre  outros  factores,  condicionam  a  sobrevivência  e,  consequentemente,  a  taxa  de 

recrutamento para as populações de organismos costeiros. 

O  presente  estudo  decorreu  no  Banco  de  Sofala  (Moçambique),  uma  extensa  plataforma 

continental existente na zona costeira situada em frente ao delta do Rio Zambeze (um dos maiores 

rios de África), onde ocorrem as mais importantes actividades pesqueiras de Moçambique. Tendo em 

consideração a importância económica do Banco de Sofala e a grande influência do Rio Zambeze no 

funcionamento  dos  processes  ecológicos  costeiros,  os  objectivos  desta  investigação  foram 

direccionados para as variações existentes ao nível hidrológico e biológico que suportam esta intensa 

actividade pesqueira. Aspectos como as propriedades físico‐químicas da massa de água e correntes 

costeiras  foram  estudados  conjuntamente  com  a  distribuição  e  abundância  de  nutrientes, 

comunidades fitoplanctónicas (estudados através de assinaturas de pigmentos analisadas por HPLC), 

zooplâncton  e  larvas  de  peixe  (especificamente  da  espécie  Herklotsichthys  quadrimaculatus), 

decorrentes  no  Banco  de  Sofala.  Os  trabalhos  desenvolvidos  foram  especialmente  direccionados 

para  a  distribuição  horizontal  na  plataforma  continental  (baseada  na  amostragem  de  11  estações 

radiais  distribuídas  ao  longo  de  3  transectos  perpendiculares  à  costa),  e  para  a  dinâmica  vertical 

destes processos ao longo de um ciclo de 48 horas (com uma periodicidade de amostragem de 2 h 

numa estação  fixa). O processo de amostragem decorreu ao  longo de 3 dias e  foi desenvolvido no 

decorrer  de  uma missão  oceanográfica  realizada  a  bordo  do N/O  “Dr.  Fridtjof  Nansen”,  integrada 

num projecto direccionado para o estudo dos ecossistemas costeiros de Moçambique. 

Page 10: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 iv 

A  variação  horizontal  da maioria  dos  parâmetros  analisados  revelou  a  existência  de  gradientes 

costa –  largo e de descargas do rio Zambeze, evidenciadas pela de  intrusão de águas estuarinas na 

zona  costeira.  A  distribuição  superficial  das  propriedades  físico‐químicas  analisadas  evidenciou  a 

presença  de  uma  massa  de  água  menos  salina  e  mais  quente  na  zona  central,  associada 

provavelmente a descargas estuarinas, enquanto que a distribuição das concentrações de nutrientes 

só  evidenciou  gradientes  perpendiculares  à  costa  para  os  silicatos,  dado  que  a  distribuição  de 

fosfatos foi independente da distância à costa e a concentração de nitratos foi sempre menor que o 

limite de detecção do método. Relativamente à distribuição superficial de fitoplâncton, foi observada 

maior  biomassa  numa  das  estações  mais  costeira,  visto  que  foi  provavelmente  a  primeira  a  ser 

influenciada  pelas  descargas  do  rio  Zambeze  e,  consequentemente,  onde  maior  concentração  de 

nutrientes  ficou primeiramente disponível  para o  fitoplâncton. O único  grupo de  fitoplâncton  com 

diferente distribuição relativamente à biomassa fitoplanctónica foi o das Cianobactérias, para o qual 

foram observadas maiores concentrações pigmentares na massa de água mais oceânica. 

No  que  respeita  a  dinâmica  vertical  estudada  ao  longo  de  48  horas,  as  correntes  de  maré 

revelaram  ser  um  factor  crucial  para  as  variações  hidrológicas  decorrentes  na  coluna  de  água, 

nomeadamente para o transporte horizontal e vertical da biomassa fitoplanctónica e para a variação 

da  disponibilidade  de  nutrientes.  As  concentrações  de  nutrientes  obtidas  estão  de  acordo  com 

resultados obtidos em outras zonas costeiras oligotróficas, contudo os rácios de nutrientes obtidos 

(N:P e N:Si)  foram extremamente baixos e fortemente  influenciados pelas reduzidas concentrações 

de nitratos + nitritos (N). As concentrações de N obtidas foram anormalmente baixas relativamente a 

muitos  ecossistemas  costeiros,  contudo  semelhantes  a  alguns  estudos  obtidos  no  Oceano  Índico, 

nomeadamente  na  Austrália  e  no  Quénia,  onde  o  N  desempenha  um  papel  crucial  como  factor 

limitante  da  biomassa  fitoplanctónica.  Para  além  destas  concentrações  evidenciarem  o  estado 

oligrotrófico do Banco de Sofala durante o período de amostragem, sugerem ainda a existência de 

reduzidas descargas estuarinas para a zona costeira, o que é típico da época seca durante a qual foi 

realizado este estudo. 

As  maiores  concentrações  de  pigmentos  fitoplanctónicos  foram  observadas  nas  maiores 

profundidades amostradas (30 e 40 m), onde também foram registadas maiores concentrações de N. 

Durante o decorrer do estudo, a comunidade fitoplanctónica foi dominada por microflagelados, mais 

concretamente  por  microalgas  do  grupo  Prymnesiophyceae,  o  que  está  de  acordo  com  outros 

estudos  em  regiões  oligotróficas  onde  a  dominância  de  microflagelados,  e  não  de  microplâncton 

(diatomáceas e dinoflagelados), é habitualmente observada. De acordo com os  resultados obtidos, 

toda  a  comunidade  fitoplânctónica  distribuiu‐se  de  modo  similar  na  coluna  de  água  ao  longo  do 

Page 11: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 

 

espaço  de  tempo  considerado,  com  a  excepção  das  Cianobactérias  que  apresentaram  uma 

distribuição vertical mais superficial. 

Relativamente  à  distribuição  do  zooplâncton,  foram  observadas  elevadas  densidades  junto  ao 

fundo (30/40 m), onde as maiores concentrações de fitoplâncton foram também verificadas. Durante 

o período nocturno foram registadas maiores densidades de zooplâncton nas camadas de água mais 

superficiais  (<  10  m)  relativamente  aos  períodos  nocturnos,  o  que  evidencia  os  processos  de 

migração vertical típicos das comunidades zooplanctónicas onde a variação da intensidade luminosa 

desempenha  um  papel  crucial.  Contudo,  o  movimento  vertical  observado  envolveu  apenas  uma 

pequena parte da abundância  total de zooplâncton, visto que as maiores densidades observadas à 

superfície durante a noite  foram geralmente  inferiores às densidades observadas no estratos mais 

profundos (20/30 e 30/40 m). 

Relativamente  à  investigação  direccionada  especificamente  para  as  larvas  de  Herklotsichthys 

quadrimaculatus,  os  resultados  obtidos  evidenciaram  o  padrão  típico  de  migração  vertical  com 

periodicidade diária, realizando movimentos para a superfície e para o fundo durante o anoitecer e 

amanhecer,  respectivamente.  Relativamente  à  variação  desta  dinâmica  vertical  em  função  das 

variações ontogenéticas, os resultados obtidos evidenciam diferenças na posição vertical das  larvas 

em  função  do  período  do  dia  e  do  estádio  de  desenvolvimento.  As  larvas  em  estádios  de 

desenvolvimento  mais  avançados  dominaram  a  massa  de  água  superficial  da  coluna  de  água 

(neuston) durante a noite, enquanto que as larvas mais pequenas estiveram distribuídas na camada 

de  água  subjacente  (0  –  20  m).  Durante  o  dia,  a  quantidade  de  larvas  presente  nos  estratos 

amostrados foi quase nula, o que evidencia a agregação das  larvas de H. quadrimaculatus  junto ao 

fundo (40 – 50 m), onde a penetração luminosa é muito reduzida e, consequentemente, o risco de 

mortalidade associado a predadores visuais é baixo. 

A investigação realizada realça a importância dos processos físico‐químicos nas zonas costeiras e 

o seu papel na dinâmica vertical das comunidades planctónicas. Este caso de estudo exemplifica os 

processos  base  que  ocorrem  num  ecossistema  costeiro  tropical  onde  as  marés  e  as  descargas 

estuarinas são factores importantes na dinâmica das comunidades biológicas presentes no plâncton. 

Os resultados obtidos são então um exemplo dos ecossistemas costeiros do Oceano Índico Ocidental, 

onde a dinâmica das comunidades planctónicas é ainda pouco conhecida e compreendida. 

Palavras‐chave:  Pigmentos  fitoplanctónicos;  Zooplâncton;  Estádios  larvares;  Herklostichthys 

quadrimaculatus; Migração vertical; Moçambique 

Page 12: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 13: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 

 

vii 

Abstract 

Coastal  ecosystems  are  largely  influenced  by  the  interaction  of  several  factors  operating  at 

various  temporal  and  spatial  scales,  specifically  those  responsible  for  primary  and  secondary 

production processes that modulate marine resources. Hydrological processes (e.g. tides and coastal 

currents),  nutrients  availability,  phytoplankton  groups,  zooplankton  and  larval  fish  (specifically  the 

clupeid Herklotsichths quadrimaculatus) abundance and distribution were investigated at the Sofala 

Bank  (Mozambique),  with  special  emphasis  on  their  horizontal  distribution  and  vertical  dynamics. 

Horizontal distribution has shown onshore‐offshore gradients  in all analysed parameters, as well as 

inshore  waters  intrusion  probably  related  to  Zambezi  River  delta  runoff.  Tidal  currents  were 

responsible  for  major  hydrological  vertical  variations  and  for  horizontal  and  vertical  advection  of 

phytoplankton biomass in the surface and deepest layers, respectively. Nutrient concentrations were 

typical  from oligotrophic regions, and nutrient ratios were strongly  influenced by depleted nitrite + 

nitrate  concentrations,  suggesting  low  estuarine  discharges  typical  from  the  dry  season.  Both 

phytoplankton pigments and zooplankton were found mainly near bottom (40 m deep), despite the 

latter  displayed  vertical  migrations  triggered  by  light  variations.  Phytoplankton  community  was 

dominated  by  microflagellates,  specifically  prymnesiophyceans,  and  vertical  distribution  changes 

were  similar  for  the  whole  community.  Cyanobacteria  was  the  only  phytoplankton  group  that 

displayed a different vertical distribution pattern, mainly concentrated at mid water column depths 

(10  –  20 m). Herklotsichthys  quadrimaculatus  larvae  displayed  typical  diel  vertical  migrations  and 

were mainly distributed  in  the upper water column (0 – 20 m) during  the night and almost absent 

from all sampled strata during the day. Larger larvae dominated the neuston layer during the night 

while  during  daylight  periods  remained  close  to  the  bottom.  This  investigation  enhances  the 

importance  of  physico‐chemical  phenomena  determining  the  planktonic  communities  vertical 

dynamics at a tropical coastal ecosystem of the Western  Indian Ocean, where planktonic dynamics 

are still poorly described and understood. 

Keywords: Phytoplankton pigments;  Zooplankton;  Fish  larvae; Herklostichthys  quadrimaculatus; 

Diel vertical migration; Mozambique 

 

Page 14: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 15: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Table of contents 

 

Acknowledgements  i Resumo  iii Abstract  vii 

 

CHAPTER 1  1 

General introduction  3 References  8 

 

CHAPTER 2  11 

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique  13 Abstract  13 Introduction  14 Material and Methods  16 Results  18 Discussion  30 Conclusion  34 References  36 

 

CHAPTER 3  41 

Vertical  dynamics  of  the  gold‐spot  herring  (Herklotsichthys  quadrimaculatus)  larvae  at  Sofala  Bank, 

Mozambique  43 Abstract  43 Introduction  43 Material and Methods  45 Results  46 Discussion  50 References  52 

 

CHAPTER 4  55 

Final considerations  57 

 

Page 16: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 17: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 

 

 

 

 

Chapter 1 

 

Page 18: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 19: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

General Introduction 

 

 

General introduction 

Coastal ecosystems and planktonic communities 

Coastal  ecosystems  are  among  the  most  biologically  productive  environments  in  the  world, 

providing  important  services  to  human  populations.  Their  existence  at  the  interface  between  the 

terrestrial and marine environment exposes them to a wide variety of human and natural stressors 

occurring at different spatial and time scales, which makes the coastal regions complex and dynamic 

ecosystems (Kennedy et al., 2002). 

The  natural  stressors  occurring  in  the  coastal  marine  environments  are  typically  physical  and 

chemical processes that differently affect biological communities, hence their population dynamics. 

Some of the most important physical processes are winds, tides and coastal currents, which promote 

water  mass  advection,  thus  spatial  and  temporal  variability  on  water  column  physico‐chemical 

properties  (Epifanio  and Garvine,  2001;  Lutjeharms,  2006; Queiroga  et  al.,  2007).  The  interactions 

between  physical  and  chemical  variations  induce  high  heterogeneity  on  coastal  shelf  waters, 

specifically  near  river  deltas,  where  surface  and  river  runoff  together  with  tidal  currents  are 

responsible  for  strong  hydrological  gradients  and  cyclic  variations  (e.g.  temperature  and  salinity), 

clines  vertical  oscillation,  both water  column  stratification  and  vertical mixing  processes,  and  also 

large nutrient inputs (Verity et al., 1993; Epifanio and Garvine, 2001; Wawrik et al., 2004; Silva et al., 

2008). 

Nutrient loadings into coastal ocean zones are from various sources and frequently associated to 

human activities. Surface and river runoff, estuarine discharges and exchanges with the open ocean 

are  commonly  the  source  and  sink  of major  nutrients  inputs,  but  continental  shelf  sediments  and 

respiration  associated with  the  sediment  surface photosynthesis  are  also  thought  to  be  important 

nutrient sources and recycling (Wawrik et al., 2004; Wassmann and Olli, 2005, Giraud et al., 2008). 

Additionally, potentially important sources of nutrients are atmospheric deposition and groundwater 

discharges.  All  nutrient  inputs  to  coastal  zones,  together  with  the  diverse  physical  processes, 

differently disturb coastal biological communities, and the most directly influenced are possibly from 

the lower trophic levels (e.g. phyto‐ and zooplankton) (Cottingham, 1999; Tyrrell, 1999; Anderson et 

al., 2002; Kennedy et al., 2002). 

Changes on physico‐chemical water properties may be reflected  in  the dynamics of populations 

Page 20: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 1 

 4 

thriving  in coastal systems, strongly determining their abundance and distribution variations  (Paula 

et al., 1998; Cottingham, 1999; Calbet et al., 2001; Elliott et al., 2007). The small  scale changes on 

planktonic  communities  distribution  patterns  makes  them  particularly  sensitive  to  hydrological 

variations,  presenting  a  great  variety of  both  spatial  and  temporal  changes,  respectively  from  thin 

water column layers to large‐scale gradients (e.g. onshore‐offshore, north‐south) and from hours to 

seasons  (Verity  et  al.,  1993;  Paula  et  al.,  1998;  Gibson,  2001;  Walther  et  al.,  2002;  Balkis,  2003; 

Brunet  and  Lizon,  2003;  Queiroga  et  al.,  2007;  Criales‐Hernández,  2008).  Accordingly,  these 

variations  are  often  related  to  environmental  drivers,  particularly  the  preference  or  avoidance  to 

particular  physico‐chemical  properties  and  hydrological  processes,  such  as  temperature,  salinity, 

oxygen, light penetration, turbulence, currents and nutrients availability. 

Spatial and temporal variations of several planktonic organisms (e.g. phytoplankton, zooplankton 

and invertebrate and fish larvae), specifically their vertical distribution, have been widely studied in 

different  coastal  ecosystems,  due  to  their  importance  to  organic  matter  flows,  primary  and 

secondary production, larval recruitment processes and population connectivity, among others (e.g. 

Steinberg et al., 2002; Brunet and Lizon, 2003; Fiksen et al., 2007; Leis, 2007; Queiroga et al., 2007). 

Plankton vertical dynamics 

Vertical  migration  is  a  commonly  observed  phenomenon  in  many  species  of  freshwater  and 

marine plankton  and occurs  at  a  variety  of  periods,  including diel,  semi‐diel  and  also  tidal  periods 

(Ohman, 1990; Hill,  1991;  Epifanio and Garvine,  2001; Brunet  and  Lizon,  2003;  Fiksen et  al.,  2007; 

Queiroga  et  al.,  2007).  The  explanations  for  vertical  migration  may  include  predation  avoidance, 

bioenergetic  advantages  and  regulation  of  horizontal  position.  The  hypothesis  of  a  predator 

avoidance  mechanism  is  generally  accepted,  as  vertical  migration  often  results  when  prey 

populations are under intense, selective pressures from visually dependent predators (e.g. Zaret and 

Suffern, 1976;  Irigoien et al., 2004). However, some contradictory cases show that predation  is not 

the only adaptive reason for vertical migration, and the attempt to provide only one hypothesis  to 

account for all observed vertical migrations represent a simplistic outlook on natural selection. Other 

hypothesis  is  vertical  migration  as  a  bioenergetic  advantage,  resulting  of  a  compromise  between 

reducing energy expenditure and mortality, taking advantage of feeding opportunities (e.g. Ohman, 

1990;  Fiksen  et  al.,  2007).  The  other  common  hypothesis  to  planktonic  vertical  migration  is  the 

horizontal  position  regulation.  These  communities  have  very  limited  capacity  for  horizontal 

movements,  thus  position  control  by  vertical  migration  potentially  provides  a  means  to  affect 

transport  to  specific  locations  or  to  promote  retention  in  particular  areas  (Hill,  1991;  Leis,  2007; 

Queiroga et al., 2007). The integration of several hydrological and biological processes, such as tidal 

Page 21: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

General Introduction 

 

 

currents and behaviour,  respectively,  regulate dispersal, supply to coastal habitats and recruitment 

of  several planktonic organisms,  specifically  larval  stages of  fish and crustacean species  (Hill, 1991; 

Epifanio  and  Garvine,  2001;  Queiroga  et  al.,  2006;  Santos  et  al.,  2006).  Taking  into  account  the 

several  theories  and  the  diversity  of  organisms  displaying  vertical  movements  there  should  be 

variability among vertical migrations patterns,  since  the  same vertical behaviour does not produce 

the same optimum compromise between reduced mortality and energetic cost for different groups, 

species  and  stages  (Ohman,  1990;  Epifanio  and  Garvine,  2001;  Irigoien  et  al.,  2004;  Leis,  2007). 

Furthermore,  the  mortality  risks  for  each  organism  are  not  the  same  because  of  the  different 

selectivity of predators. 

Different  vertical  distribution  and  diel  vertical  migration  (DVM)  can  be  found  among  plankton 

communities,  from  phyto‐  to  zooplankton  and  also  invertebrate  and  fish  larvae.  Phytoplankton 

vertical distributions may differ between day and night, indicating either migration or differences in 

production/mortality  rates  (Hajdu  et  al.,  2007;  Brunet  et  al.,  2008).  Accordingly,  the  vertical 

distribution  differences  found  on  previous  studies  are mainly  triggered  by  light  requirements  and 

nutrient  availability  in  different  water  column  layers.  However,  sinking  cells  and  water  exchange 

ascribable to tidal currents and vertical mixing processes can easily bias results, since phytoplankton 

cells  are  easily  advected  (Brunet  and  Lizon,  2003;  Hajdu  et  al.,  2007).  Furthermore,  additional 

difficulties  arise  when  taking  into  account  phytoplankton  −  zooplankton  interactions,  specifically 

grazing and nutrient regeneration, which affect phytoplankton abundance estimations (Vertiy et al., 

1993; Vrede et al., 1999). Zooplankton itself also displays vertical movements, both to predate and 

avoid predators (Zaret and Suffern, 1976; Ohman, 1990). Accordingly, both normal and reverse DVM 

are  found,  strongly  determined  respectively  by  diurnal  or  nocturnal  predators,  and  also  by  prey 

distribution.  Besides  phyto‐  and  zooplankton,  invertebrate  and  fish  species  commonly  have 

planktonic larval stages, which also display DVM (Epifanio and Garvine, 2001; Hare and Govoni, 2005; 

Fiksen et al., 2007; Queiroga et al., 2007). Due to the importance of larval fish ecology to recruitment 

success, thus to enhance fish stocks, special attention is given to larval fish vertical migration. 

Larval fish vertical dynamics 

The fact that most of coastal fish species have a pelagic larval stage has important implications for 

the  dynamics  of  fish  populations  and  fisheries  management  (Leis,  2007).  Management  of  coastal 

fishes  must  incorporate  the  scales  over  which  their  populations  are  connected  due  to  dispersal 

processes  and  connectivity,  therefore  it  is  important  to  integrate  coastal  currents  knowledge with 

Page 22: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 1 

 6 

larval  behaviour,  specifically  vertical  migration,  to  improve  our  understanding  of  larval  survival, 

growth and dispersal (Fiksen et al., 2007). 

Larval  fish  vertical  migration  is  strongly  determined  by  several  factors  (e.g.  predator/prey 

interactions,  bioenergetics  and  mortality,  dispersal  processes  and  connectivity)  and  much  of  the 

existent  knowledge  was  obtained  from  studies  focusing  clupeid  species,  since  its  importance  to 

fisheries and human populations (e.g. Reid, 2001; Santos et al., 2006; Voss et al., 2007). Clupeid larval 

stages  usually  feed  on  several  planktonic  species  and  are  strongly  predated  by  visual  predators, 

namely  adult  fishes  (Aksnes  et  al.,  2004;  Fiksen  et  al.,  2007).  Therefore,  during  day  and  night 

different  depth  distributions  are  usually  observed,  in  order  to  minimize  mortality  rates  without 

ignoring feeding requirements. Furthermore, according to the larval stage, different vertical positions 

are observed, since larvae depend upon different coastal currents to disperse and recruit (Hare and 

Govoni,  2005;  Fiksen  et  al.,  2007).  Once more,  different  DVM  patterns  are  observed  for  different 

species and  larval  stages. For example, Hare and Govoni  (2005),  for species  that moved  inshore or 

remained on the shelf,  found that  larvae were  in deeper positions  in  the water column than  larval 

from  species  that  were  exported  from  the  shelf.  Santos  et  al.  (2006)  found  that  sardine  larvae 

vertical  position  was  strongly  associated  to  coastal  currents,  retaining  the  larvae  in  high  food 

availability  layers.  The  knowledge  of  how much  energy  planktonic  species,  specifically  fish  larvae, 

invest  on  predation  risk  and  feeding  opportunities  help  us  to  understand  their  ecology  and  life 

history strategies, as indicators of how much do adults invest in larval stages hence, offspring quality 

(Fiksen et al., 2007). 

Work context 

The work developed during  this  thesis  constituted a  special  study as part of  the oceanographic 

campaign  “Ecosystem  Survey  Mozambique  2007”  of  the  wider  Nansen  EAF  Programme 

“Strengthening  the  Knowledge  Base  for  and  Implementing  and  Ecosystem  Approach  to  Marine 

Fisheries  in Developing Countries”. Sampling was made onboard the R/V “Dr. Fridtjof Nansen” and 

took place at the Sofala Bank, a wide shallow shelf influenced by the Zambezi River delta and other 

estuaries,  and  where  the  most  important  national  fisheries  occur.  Besides  important  surface  and 

river runoff discharges, strong tidal currents and currents from the Mozambique Channel have major 

effects  on  hydrological  and  occurring  ecological  processes  (Ridderinkhof  et  al.,  2001;  Lutjeharms, 

2006). 

Studies  from  Sofala  Bank  are  very  scarce  and  only  cruise  and  fisheries  reports  can  be  found 

(Bandeira  et  al.,  2002,  and  references  therein).  It  is  known  that  this  neritic  region  has  high 

phytoplankton  biomass  comparing  to  the  greater  part  of  the  Mozambican  oligotrophic  waters, 

Page 23: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

General Introduction 

 

 

mainly  because  of  the  nutrient  input  from  the  Zambezi  river  runoff,  which  enhances  the  system 

productivity  and  supports  local  fisheries  (Gammelsrød,  1992;  Lutjeharms,  2006).  Therefore,  Sofala 

Bank  is an excellent case study to understand the nutrients, phytoplankton, zooplankton and larval 

fish dynamics in relation to the coastal currents and physico‐chemical environmental variability. 

Several studies identified tidal energy, light and diel variations as key factors regulating planktonic 

communities  vertical  distribution and diel  changes  (Hill,  1991; Queiroga et  al.,  2007; Brunet  et  al., 

2008). At Sofala Bank, the tidal currents and estuarine discharges may strongly determine nutrients 

availability  and  water  column  light  penetration  due  to  increased  turbidity,  thus  affecting  base 

processes  that  modulate  planktonic  communities  dynamics.  Stratification  of  the  water  column, 

strongly condition the effectiveness of primary production magnitude at the surface  layer and may 

act as a barrier to vertical movements of zooplankton (Criales‐Hernández et al., 2008). However, due 

to  the strong  local  tidal currents, vertical mixing might  locally  induce homogenization of  the water 

column.  The  investigation  of  tidal  and  diel  variations  and  other  regulating  factors  is  therefore 

important  to  understand  fundamental  ecological  processes  that  act  in  generating  primary 

productivity and modulate resources supporting intense local fisheries activity. 

Concerning  larval  fish  dynamics,  despite  numerous  worldwide  studies  on  a  great  variety  of 

species, specifically clupeids, none  focused on the tropical herring Herklotsichthys quadrimaculatus 

 (Rüppell  1837),  also  known  as  the  gold‐spot  herring.  This  species  is  a  major  component  of  tuna 

baitfish  (Lewis,  1990)  and  consumed  by  local  coastal  communities  at  the  Eastern  Africa  (KMFRI, 

1981).  At Mozambique, H.  quadrimaculatus  is  broadly  present  on  the  coastal  zone,  namely  at  the 

Sofala  Bank  (INIPM,  unpublished  data).  Knowledge  of  Herklotsichthys  spp.  larvae  is  very  scarce 

(Thorrold  and  Williams,  1989),  and  for  H.  quadrimaculatus  from  the  Western  Indian  Ocean  only 

Harris  and  Cyrus  (1999)  described  its  high  abundance  throughout  the  year  near  Durban  (South 

Africa).  The  vertical  distribution  and  behaviour  is  still  unknown  for  H.  quadrimaculatus  and 

information  regarding  ontogenic  changes  on  depth  distribution  throughout  diel  variations  are  still 

missing. Furthermore, the hydrological unique properties of Sofala Bank may change the influence of 

typical factors regulating larvae vertical dynamics (e.g. light and currents variations). Tidal energy and 

vertical  mixing,  as  well  as  other  local  oceanographic  features,  could  therefore  have  a  major  role 

determining H. quadrimaculatus larvae vertical distribution and diel movements. 

The  scientific  papers  presented  point  toward  a  broadly  understanding  of  the  planktonic 

communities  vertical  dynamics.  The  first  one  (submitted  to  Estuarine,  Coastal  and  Shelf  Science) 

Page 24: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 1 

 8 

investigates  the horizontal and vertical oceanographic and planktonic processes at  the Sofala Bank 

shelf waters,  specifically aimed to study currents, physico‐chemical water properties  (temperature, 

salinity and nutrients), phytoplankton pigments as chemotaxonomic markers and zooplankton. The 

second  paper  (submitted  to  African  Journal  of  Marine  Science)  is  a  specific  study  of  fish  larvae 

vertical dynamics, aimed to study the vertical distribution movements of H. quadrimaculatus larvae, 

its  relation  to  several  hydrological  and  biological  factors  (e.g.  light  variation,  vertical  mixing  and 

zooplankton abundance) and also vertical distribution changes according to larval ontogeny. 

 

References 

Aksnes, D.L., Nejstgaard,  J.,  Soedberg,  E.,  Sørnes,  T.,  2004. Optical  control  of  fish  and  zooplankton populations. Limnology Oceanography 49, 233‐238. 

Anderson,  D.M.,  Glibert,  P.M.,  Burkholder,  J.M.,  2002.  Harmful  Algal  Blooms  and  Eutrophication: Nutrient Sources, Composition, and Consequences. Estuaries 25, 704‐726. 

Balkis, N., 2003. Seasonal variations in the phytoplankton and nutrient dynamics in the neritic water of Büyükçekmece Bay, Sea of Marmara. Journal of Plankton Research 25, 703‐717. 

Bandeira,  S.O.,  Silva,  R.P.,  Paula,  J.,  Macia,  A.,  Hernroth,  L.,  Guissamulo,  A.T.,  Gove,  D.Z.,  2002. Marine Biological Research in Mozambique: Past, Present and Future. AMBIO 31, 606‐609. 

Brunet,  C.,  Lizon,  F.,  2003.  Tidal  and  diel  periodicities  of  size‐fractionated  phytoplankton  pigment signatures  at  an  offshore  station  in  the  southeastern  English  Channel.  Estuarine,  Coast  and Shelf Science 56, 833‐843. 

Brunet,  C.,  Gasotti,  R.,  Vantrepotte,  V.,  2008.  Phytoplankton  diel  and  vertical  variability  in photobiological  responses at a coastal  station  in  the Mediterranean Sea.  Journal of Plankton Research 30, 645‐654. 

Calbet,  A.,  Garrido,  S.,  Saiz,  E.,  Alcaraz, M.,  Duarte,  C.M.,  2001.  Annual  zooplankton  succession  in coastal  NW Mediterranean  waters:  the  importance  of  the  smaller  size  fractions.  Journal  of Plankton Research 23, 319‐331. 

Cottingham,  K.L.,  1999.  Nutrients  and  zooplankton  as  multiple  stressors  of  phytoplankton communities: Evidence from size structure. Limnology Oceanography 44, 810‐827. 

Criales‐Hernández,  M.I.,  Schwamborn,  R.,  Graco,  M.,  Ayón,  P.,  Hirche,  H.J.,  Wolf,  M.,  2008. Zooplankton  vertical  distribution  and  migration  off  Central  Peru  in  relation  to  the  oxygen minimum layer. Helgoland Marine Research 62, S85‐S100 

Elliott, M., Burdon, D., Hemingway, K.L., Apitz, S.E., 2007. Estuarine, coastal and marine ecosystem restoration:  Confusing management  and  science – A  revision of  concepts.  Estuarine,  Coastal and Shelf Science 74, 349‐366. 

Epifanio,  C.E.,  Garvine,  R.W.,  2001.  Larval  Transport  on  the  Atlantic  Continental  Shelf  of  North America: a Review. Estuarine, Coastal and Shelf Science 52, 51‐77. 

Fisken, Ø., Jørgensen, C., Kristiansen, T., Vikebø, F., Huse, G., 2007. Linking behavioural ecology and oceanography:  larval  behaviour  determines  growth, mortality  and  dispersal. Marine  Ecology Progress Series 347, 195—205. 

Gammelsrød,T.,  1992.  Variation  in  Shrimp  Abundance  on  the  Sofala  Bank,  Mozambique,  and  its 

Page 25: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

General Introduction 

 

 

Relation to the Zambezi River Runoff. Estuarine, Coastal and Shelf Science 35, 91‐103. 

Gibson, R.N., 2001. Go with the flow: tidal migration in marine animals. Hydrobiologia 503, 153‐161. 

Giraud,  X.,  Quéré,  C.L.,  Cunha,  L.C.,  2008.  Importance  of  coastal  nutrient  supply  for  global  ocean biogeochemistry. Global Biogeochemical Cycles, 22, GB2025. 

Hajdu, S., Höglander, H., Larsson, U., 2007. Phytoplankton vertical distributions and composition  in Baltic Sea cyanobacterial blooms. Harmful Algae 6, 189‐205. 

Hare,  J.A., Govoni,  J.J., 2005. Comparison of average  larval  fish vertical distributions among species exhibiting  different  transport  pathways  on  the  southeast  United  States  continental  shelf. Fisheries Bulletin 103, 728—736. 

Harris, S.A., Cyrus, D.P., 1999. Composition, abundance and seasonality of fish larvae in the mouth of Durban harbour, Kwazulu‐Natal, South Africa. Sout African Journal of Marine Science 21, 19—39. 

Hill, A.E., 1991. Vertical migration in tidal currents. Marine Ecology Progress Series 75, 39‐54. 

Irigoien,  X.,  Conway,  D.V.P.,  Harris,  R.P,  2004.  Flexible  diel  vertical  migration  behaviour  of zooplankton in the Irish Sea. Marine Ecology Progress Series 267, 85‐97. 

K.M.F.R.I., 1981. Aquatic Resources of Kenya. Proc. of the Workshop of Kenya Marine and Fisheries Research Institute, July 13‐19. 

Kennedy,  V.S.,  Twilley,  R.R.,  Kleypas,  J.A.,  Cowan,  J.H.,  Hare,  S.R.,  2002.  Coastal  and  marine ecosystems  &  Global  climate  change  –  Potential  Effects  on  U.S.  Resources.  PEW  Center  on Global Climate Change. 

Leis,  J.M, 2007. Behaviour as  input  for modelling dispersal of  fish  larvae: behaviour, biogeography, hydrodynamics,  ontogeny,  physiology  and  phylogeny  meet  hydrography.  Marine  Ecology Progress Series 347, 185‐193. 

Lewis, A.D., 1990. Tropical south Pacific tuna baitfisheries. In: Blaber, S.J.M., Copland, J.W. (Editors) Tuna baitfish in the Indo‐Pacific region. Aust. Coun. Int. agr. Res. Proc. 30, 10—21. 

Lutjeharms,  J.R.E.,  2006.  The  costal  oceans  of  south‐eastern  Africa.  In:  A.R.  Robinson,  K.H.  Brink (Editors) The Sea Vol 14. Harvard University Press, Cambridge, MA, pp. 783‐834. 

Ohman, M.D., 1990. The Demographic Benefits of Diel Vertical Migration by Zooplankton. Ecological Monographs 60, 257‐281. 

Paula, J., Pinto, I., Guambe, I., Monteiro, S., Gove, D., Guerreiro, J., 1998. Seasonal cycle of planktonic communities at Inhaca Island, southern Mozambique. Journal of Plankton Research 20, 2165‐2178. 

Queiroga, H., Almeida, M.J., Alpuim, T.,  Flores, A.A.V.,  Francisco,  S., Gonzàlez‐Gordillo,  I., Miranda, A.I.,  Silva,  I.,  Paula,  J.,  2006.  Tide  and  wind  control  of  megalopal  supply  to  estuarine  crab populations on the Portuguese west coast. Marine Ecology Progress Series 307, 21‐36. 

Queiroga, H.,  Cruz,  T.,  dos  Santos,  A.,  Dubert,  J.,  González‐Gordillo,  J.I.,  Paula,  J.,  Peliz,  A.,  Santos, A.M.P., 2007. Oceanographic and behavioural processes affecting invertebrate larval dispersal and supply in the western Iberia upwelling ecosystem. Progress in Oceanography 74, 174‐191. 

Reid,  D.G.,  2001.  SEFOS  –  shelf  edge  fisheries  and  oceanography  studies:  an  overview.  Fisheries Research 50, 1—15. 

Ridderinkhof,  H.,  Lutheharms,  J.R.E.,  Ruijter,  W.P.M.,  2001.  A  research  cruise  to  investigate  the Mozambique Current. South African Journal of Science 97, 461‐464. 

Page 26: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 1 

 10 

Santos, A.M.P., Ré, P., Dos Santos, A., Péliz, A., 2006. Vertical distribution of  the European sardine (Sardina plichardus) larvae and its implications for their survival. Journal of Plankton Research 28, 523—532. 

Silva,  A.,  Mendes,  C.R.,  Palma,  S.,  Brotas,  V.,  2008.  Short‐time  scale  variation  of  phytoplankton succession  in  Lisbon bay  (Portugal) as  revealed by microscopy cell  counts and HPLC pigment analysis. Estuarine, Coastal and Shelf Science 79, 230‐238. 

Steinberg, D.K., Goldthwait, S.A., Hanself, D.A., 2002. Zooplankton vertical migration and the active transport of dissolved organic and inorganic nitrogen in the Sargasso Sea. Deep‐Sea Research 49, 1445‐1461. 

Thorrold,  S.R.,  Williams,  D.M.,  1989.  Analysis  of  Otolith  Microstructure  to  Determine  Growth Histories in Larval Cohorts of a Tropical Herring (Herklotsichthys castelanaui). Canadian Journal Fisheries Aquatic Sciences 46, 1615—1624. 

Tyrrell, T., 1999. The relative influences of nitrogen and phosphorus on oceanic primary production. Nature 400, 525‐531. 

Verity, P.G., Yoder, J.A., Bishop, S.S., Nelson, J.R., Craven, D.B., Blanton, J.O., Robertson, C.Y., Tronzo, C.R.,  1993.  Composition,  productivity  and  nutrient  chemistry  of  a  coastal  ocean  planktonic food web. Continental Shelf Research 13, 741‐776. 

Voss,  R.,  Schmidt,  J.O.,  Schnack,  D.,  2007.  Vertical  distribution  of  Baltic  sprat  larvae:  changes  in patterns of diel migration?. ICES Journal Marine Science, 64. 

Vrede,K., Vrede, T.,  Isaksson, A., Karlsson, A., 1999. Effects of nutrients  (phosphorus, nitrogen, and carbon)  and  zooplankton  on  bacterioplankton  and  phytoplankton  –  a  seasonal  study. Limnology Oceanography 44, 1616‐1624. 

Walther,  G.‐R.,  Post,  E.,  Convey,  P.,  Menzel,  A.,  Parmesan,  C.,  Beebee,  T.J.C.,  Fromentin,  J.‐M., Hoegh.Guldberg, O., Bairlein, F., 2002. Ecological responses to recent climate change. Nature 416, 389‐395. 

Wassmann,  P.,  Olli,  K.,  2005.  Drainage  basin  nutrient  inputs  and  eutrophication:  an  integrated approach. University of Tromsø, Norway, 325 pp. 

Wawrik, B., Paul, J.H., Bronk, D.A., John, D., Gray, M., 2004. High rates of ammonium recycling drive phytoplankton productivity in the offshore Mississippi River plume. Aquatic Microbial Ecology 35, 175‐184. 

Zaret,  T.M.,  Suffern,  J.S.,  1976.  Vertical  migration  in  zooplankton  as  a  predator  avoidance mechanism. Limnology Oceanography 21, 804‐813. 

 

 

Page 27: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 

 

 

 

 

 

Chapter 2 

 

Page 28: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 29: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

13 

Distribution and  vertical  dynamics of  planktonic  communities  at 

Sofala Bank, Mozambique 

M. C. Leal1, C. Sá2, S. Nordez3, V. Brotas2, J. Paula1 

1 Centro de Oceanografia, Laboratório Marítimo da Guia, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Av. Nª Senhora do Cabo, 939, 2759‐374 Cascais, Portugal 

2  Centro  de  Oceanografia,  Instituto  de  Oceanografia,  Faculdade  de  Ciências  da  Universidade  de  Lisboa, Campo Grande, 1749‐016 Lisboa, Portugal 

3  Instituto  de  Investigação  Pesqueira  de  Moçambique,  Av.  Mao  Tse‐Tung  nº  389,  Maputo,  C.  P.  4603 Moçambique 

Abstract 

Coastal  ecosystem  processes  are  largely  influenced  by  the  interaction  of  different  factors 

operating  at  various  temporal  and  spatial  scales,  specifically  those  responsible  for  primary 

production  patterns  that  modulate  zooplankton  and  subsequent  trophic  levels.  Hydrological 

processes,  such as  tidal  cycles and coastal  currents, nutrients availability, phytoplankton groups 

(studied  through  algal  pigment  signatures  analysed  by  HPLC)  and  zooplankton  abundance  and 

distribution were  investigated at  the Sofala Bank  (Mozambique), with special emphasis on  their 

horizontal  distribution  and  vertical  dynamics  (48‐hour).  Horizontal  distribution  has  shown 

onshore‐offshore  gradients  in  all  analysed  parameters,  as  well  as  inshore  waters  intrusion 

probably  related  to  Zambezi  River  delta  runoff.  Tidal  currents  were  responsible  for  major 

hydrological  vertical  variations  and  for  horizontal  and  vertical  advection  of  phytoplankton 

biomass  in  the  surface  and  deepest  layers,  respectively.  Nutrient  concentrations  were  typical 

from  oligotrophic  regions,  and  nutrient  ratios  were  strongly  influenced  by  depleted  nitrite  + 

nitrate concentrations, suggesting low estuarine discharges typical from the dry season. The very 

low  N:P  ratio  obtained,  suggests  strong  nitrogen  limitation  to  phytoplankton  communities, 

supporting  the  low  phytoplankton  abundance  observed.  Both  phytoplankton  pigments  and 

zooplankton were  found mainly  near  bottom  (40 m deep),  despite  the  latter  displayed  vertical 

migrations  triggered  by  light  variations.  Phytoplankton  community  was  dominated  by 

microflagellates, specifically prymnesiophyceans, and behaved as a whole, except Cyanobacteria 

that displayed vertical distribution movements different from other phytoplankton groups, being 

mainly  concentrated  at  mid  water  column  depths  (10  –  20  m).  This  investigation  enhances 

Page 30: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 14 

physico‐chemical  phenomena  and  their  importance  determining  the  planktonic  communities 

vertical dynamics at a tropical coastal ecosystem of the Western Indian Ocean, where planktonic 

dynamics are still poorly described and understood. 

Keywords:  Phytoplankton;  Pigments;  Zooplankton;  Vertical  dynamics;  Nutrient  deficiency; 

Mozambique 

 

Introduction 

Coastal  shelf waters  are  ecosystems  of  great  human  and  ecological  interest where  complex 

processes  occur.  The  interaction  of  physical  (e.g.  coastal  currents,  upwelling,  tides,  advection), 

chemical  (variable  chemical  properties  including  nutrient  inputs)  and  ecological  (e.g.  biological 

production and its dynamics, prey/predator interactions) processes induce high spatial variability 

on  the  water  column  over  different  time  scales  (Brunet  and  Lizon,  2003;  Lutjeharms,  2006; 

Queiroga  et  al.,  2007).  This  variability  determines  the  abundance  and  structure  of  different 

biological communities present  in coastal waters, specifically phyto‐ and zooplankton as oceanic 

food  chain  lower  levels.  Zooplankton  abundance  and  distribution  is  often  related  to 

predator/prey  interactions,  as  a prey  for  both planktivorous  fishes  and  some planktonic  larvae, 

and  as  consumers  of  phytoplankton  organisms  (e.g.  González‐Gordillo  and  Rodríguez,  2003; 

Santos et al., 2006). Phytoplankton is therefore regulated by zooplankton and fish herbivory, but 

also  by  nutrients  availability, mainly  nitrogen,  phosphate  and  silica  (Vanni,  1987;  Svensson  and 

Stenson, 1991; Garnier and Cugier, 2004). The relation between the different nutrient ratios and 

phytoplankton in coastal systems has been widely studied, and nitrogen generally plays a key role 

limiting  phytoplankton  growth  thus  strongly  determining  its  community  structure  and 

chemotaxonomic pigment composition (Hecky and Kilham, 1988; Tyrrell, 1999). 

The  present  study  took  place  at  the  Sofala  Bank  (Mozambique),  a  wide  shallow  shelf 

influenced by the Zambezi River delta and other estuaries, and where important fisheries occur. 

Besides  important  river  runoff  discharges,  strong  tidal  currents  and  currents  from  the 

Mozambique  Channel  have  major  effects  on  hydrological  and  occurring  ecological  processes 

(Ridderinkhof  et  al.,  2001;  Lutjeharms,  2006).  Even  though  the  high  importance  of  this  coastal 

ecosystem for Mozambican fisheries and economy, studies from Sofala Bank are very scarce and 

only cruise and fisheries reports can be found (Bandeira et al., 2002, and references therein). This 

neritic region has high phytoplankton biomass comparing to the greater part of the Mozambican 

oligotrophic waters, mainly because of the nutrient input from the Zambezi river runoff, which is 

Page 31: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

15 

closely  related  to  rainfall  events  (Lutjeharms,  2006).  Hence,  despite  that  hydrological  and 

planktonic dynamics of several  temperate coastal ecosystems are already studied (e.g. Verity et 

al.,  1993;  Balkis,  2003;  Sabetta  et  al.,  2008;  Silva  et  al.,  2008),  Sofala  Bank  is  an  excellent  case 

study  to  understand  the  nutrients,  phytoplankton  and  zooplankton  dynamics  in  relation  to  the 

physico‐chemical  environmental  variability  of  a  tropical  coastal  ecosystem  from  the  Western 

Indian Ocean, where scientific knowledge is very scarce. 

Several studies identified tidal energy,  light and diel variations as key factors changing neritic 

planktonic  vertical  distribution  (Hill,  1991; Queiroga  et  al.,  2007;  Brunet  et  al.,  2008).  At  Sofala 

Bank,  the  strong  tidal  currents  and  estuarine  discharges  may  strongly  determine  nutrients 

availability  and  water  column  light  penetration  due  to  increased  turbidity,  thus  affecting  base 

processes  that modulate  planktonic  communities  dynamics.  Stratification  of  the water  column, 

specifically  the  pycnocline  depth  and  its  strength,  condition  the  effectiveness  of  primary 

production magnitude  at  the  surface  layer  and may  act  as  a  barrier  to  vertical  movements  of 

zooplankton (Criales‐Hernández et al., 2008). However, due to the strong local tidal currents it is 

probable  that  vertical  mixing  locally  induces  homogenization  of  the  water  column.  The 

investigation  of  tidal  and  diel  variations  and  other  regulating  factors  is  therefore  important  to 

understand fundamental ecological processes that act in generating high primary productivity and 

modulate resources supporting intense local fisheries activity. 

This  study was  a  special  study  as  part  of  the  2007  campaign  “Strengthening  the  Knowledge 

Base for and Implementing and Ecosystem Approach to Marine Fisheries in Developing Countries” 

of  the Nansen EAF Programme, and  its main goal was  to  investigate  the horizontal and vertical 

oceanographic  and  planktonic  processes  in  the  Sofala  Bank  shelf  waters,  specifically  the 

horizontal  distribution  and  vertical  temporal  variation  of  (1)  hydrological  processes  and 

parameters,  (2) nutrients concentration,  (3) phytopigments composition and abundance and  (4) 

zooplankton abundance along the water column. 

 

 

 

 

Page 32: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 16 

Material and Methods 

Sampling 

The study area was  located at  the Sofala Bank,  in  front of  the Zambezi  river delta. Sampling 

took place on board the R/V Dr. Fridtjof Nansen from the 6th to the 8th December 2007, covering 

in the first 24 hours a total of 11 stations distributed along three transects (Fig. 1), from a bottom 

depth of 24 to 374 m, and the outermost stations separated by 60 km. Their position was set as to 

characterize  the shelf  section where  the  fixed station sampling was carried out  in  the  following 

48‐hour period. The fixed station was positioned over a bottom depth of 50 m and samples were 

taken every 2 h. 

Fig.  1.  Radial  and  fixed  stations  location.  Both  radial  ()  and  fixed  stations  ()  are  presented  and  the arrows indicate sampling order. 

Current  magnitude  and  direction  were  measured  with  a  hull‐mounted  Acoustic  Doppler 

Current Profiler (ADCP) and transparency (m) using a Sechi Disk. At every radial and fixed station, 

CTD  profiles  were  conducted  and  temperature,  salinity  and  fluorescence  (used  as  a  proxy  of 

chlorophyll  a)  data  recorded  at  every  1  m  depth  interval.  Water  samples  were  taken  at  five 

predetermined  depths  (5,  10,  20,  30  and  40 m),  except  for  shallower  stations,  using  a  rosette 

equipped  with  Niskin  bottles.  Immediately  after  collection,  two  replicates  of  100  ml  were 

collected  and  stored  frozen  for  posterior  nutrient  analysis  (nitrate  +  nitrite,  phosphate  and 

silicate).  For  HPLC  pigment  analysis,  two  litres  of  seawater  were  immediately  filtered  through 

glass fibre filters (25 mm φ, 0.7 µm pore ‐  Whatman GF/F) and filters were kept frozen in the dark 

for posterior analysis. 

Page 33: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

17 

Depth‐stratified  zooplankton  samples  (0‐5,  5‐10,  10‐20,  20‐30  and  30‐40 m)  were  collected 

with  a multinet  (Midi model,  0.5  x  0.5 m mouth  size,  Hydro‐bios) with  405 µm mesh  size  and 

towed at ~2 knots for 2 min, sampling on oblique hauls in each stratum. Flow rate was monitored 

by  a  flowmeter  mounted  in  the  mouth  of  the  aperture,  and  each  sample  represented 

approximately 40 m3 of water filtered. A neuston net (0.2 x 1.0 m mouth size) with the same mesh 

size  and a  flowmeter mounted was  towed horizontally  at  similar  speed and  time,  sampling  the 

upper 20 cm of the water column. All zooplankton samples were preserved in 4% borax‐buffered 

formaldehyde, prepared using seawater. 

Laboratory procedures 

All the laboratory procedures were done at the Oceanography Centre of University of Lisbon, 

Portugal.  Colorimetric  analyses,  with  a  Tecator  FIAstarTM  5000  Analyser,  were  performed  to 

determine nutrient concentrations. Nitrite  (NO2‐), nitrate  (NO3

‐), phosphates  (PO43‐, hereafter as 

P)  and  silicates  (Si(OH)4,  hereafter  as  Si)  were  respectively  determined  according  to  Grasshoff 

(1976),  Bendshneider  and  Robison  (1952),  Murphey  and  Riley  (1962),  and  Faning  and  Pilson 

(1973). Since water properties from this region are typically oligotrophic (Lutjeharms, 2006), the 

nitrite and nitrate sum was used (NO2‐ + NO3

‐, hereafter as N). 

The identification and abundance of phytoplankton functional groups can be achieved by high 

performance liquid chromatography (HPLC) analytical technique, which is increasingly in use as it 

is  a  less  time  consuming  method  in  relation  to  microscopy  phytoplankton  identification  and 

counting.  HPLC  quantifies  chemotaxonomic  pigments  allowing  to  estimate  the  contribution  of 

phytoplankton  groups  to  chlorophyll  a  (Chl  a)  using  photosynthetic  marker  pigments,  such  as 

alloxanthin for cryptophytes, 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin for prymnesiophyceans, and other less 

specific biomarkers such as fucoxanthin for diatoms (also present in chrysophytes) and zeaxanthin 

for  cyanobacteria  (also present  in  green  algae),  among others  (Jeffrey  et  al.,  1997).  In  order  to 

extract  photosynthetic  pigments,  frozen  filters  were  disrupted with  2 ml  of  95%  cold‐buffered 

methanol (2% ammonium acetate) for 30 min at ‐20º C in the dark. Samples were sonicated for 1 

min in the beginning of the extraction period and then centrifuged at 4000 rpm for 15 min, at 4º 

C. Extracts were filtered (Millipore membrane filters, 0.2 µm) immediately before injection in the 

HPLC  to  remove  cell  and  filter  debris.  Pigment  extracts  were  analysed  using  a  Shimadzu  HPLC 

comprised  of  a  solvent  delivery module  (IC‐10ADVP) with  system  controller  (SCL‐10AVP)  and  a 

photodiode  array  (SPD‐M10ADVP).  The  chromatographic  separation  of  pigments  was  achieved 

Page 34: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 18 

using the method described in Zapata et al. (2000), which uses a monomeric OS C8 column and a 

mobile  phase  constituted  by  two  solutions:  methanol:acetonitrile:aqueous  pyridine  and, 

acetonitrile:acetone;  a  flow  rate  of  1 mL min‐1  and  a  run    duration  of  40 min.  Pigments  were 

identified  by  comparison  of  retention  times  and  absorption  spectra  with  pure  crystalline 

standards. 

Biovolume,  using  sedimentation  volumes  with  a  conical  jar  and  24  h  settling  time,  was 

measured to assess zooplankton abundance, estimated through planktonic organisms larger than 

405  µm.  Large  gelatinous  organisms  (e.g.  jelly  fish)  were  removed  because  their  significant 

buoyancy makes the method less precise (Postel et al., 2000). 

Statistical analysis 

In order to test for cyclic phenomena in the variation of the different parameters and their co‐

variations,  autocorrelations  and  linear  cross‐correlations  were  performed.  Significant 

autocorrelations  with  a  2  h  lag  were  analysed  considering  the  2‐hour  sampling  periodicity. 

Spearman correlation and Student’s t‐test were applied. The study of phytoplankton community 

was  done  through  the  analysis  of  chemotaxonomic  pigments  and  their  ratios  to  Chl  a. 

Furthermore, the Fp pigment index (Claustre, 1994) was calculated in order to identify the trophic 

status of this marine ecosystem. The Fp pigment index is given by: 

Fp = (Σ fucoxanthin + Σ peridinin) x (Σ fucoxanthin + Σ peridinin + Σ 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin 

+ Σ 19’‐butanoyloxyfucoxanthin + Σ zeaxanthin + Σ chlorophyll b + Σ alloxanthin) ‐1 

 All  the statistical analyses were carried out using R  (R Development Core Team, 2008) while 

maps for display horizontal distributions were processed using Ocean Data View (Schlitzer, 2008). 

 

Results 

Horizontal distribution patterns 

The horizontal variations of hydrological data evidenced  the onshore‐offshore gradients  (Fig. 

2A  and  B).  Despite  the  complex  pattern  of  temperature  and  salinity  distribution,  the  lowest 

temperatures  were  found  in  the  most  onshore  stations  and  generally  lower  salinities  were 

associated  to  warmer  temperatures.  However,  the  more  coastal  water  mass  showed  higher 

salinity and lower temperature that the central water mass. Examining the vertical sections of the 

Page 35: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

19 

northern and southern transects (Fig. 3), a central less saline water mass with higher temperature 

was observed only at the surface  layers, until 20 m deep. Despite the halocline of this structure 

was noticeable, vertical temperature profile was stratified along the water column. 

 

Fig. 2. Surface distribution of salinity (A) temperature (B, ºC), phosphates (C, µmol l‐1), silicates (D, µmol l‐1), total chlorophyll a (E, fluorescence data) and zeaxanthin (F, µg l‐1). 

 

Page 36: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 20 

 

Fig.  3.  Vertical  cross‐section  of  the  northern  (A)  and  southern  (B)  transect  perpendicular  to  shore,  as regards to salinity (1), temperature (2, ºC) and total chlorophyll a (3, fluorescence data) variation. 

Concerning  nutrients  concentration,  P  was  higher  in  the  northern  transect  and  Si 

concentration was higher near coast (Fig. 2C and D), while N was always under method detection 

limit (< 0.005 µmol l‐1). Shelf vertical cross sections of P concentration presented no vertical trend, 

while  for  S  higher  concentrations  on  surface  onshore  water  mass  were  observed  (data  not 

shown).  Phytoplankton  pigments  presented  very  low  concentrations  in  almost  every  radial 

station, with a distribution pattern similar to fluorescence data, where the southern and closest 

stations to the coast presented higher biomass signal, with a lowering gradient perpendicular to 

coast (Fig. 2E), and no different pigment composition at the central water mass. Vertical sections 

of the outermost transects displayed different phytoplankton distributions given by fluorescence 

signal  (Fig.  3),  with  higher  biomass  on  surface  water  mass  nearer  to  coast  on  the  southern 

transect,  while  in  the  northern  transect  higher  values  were  obtain  near  the  bottom,  where  a 

discontinuity  occurs.  Zeaxanthin  concentration  was  the  only  pigment  with  a  different  spatial 

distribution,  since  higher  concentrations  were  observed  in  the  most  northern  and  offshore 

stations (Fig. 2F). Zooplankton total abundance was generally higher in the northern transect (Fig. 

4),  apart  from  the most  offshore  station where  total  biovolume was  extremely  low, which was 

also  observed  in  the  other  transects.  The  majority  of  night  sampled  stations  (two  northern 

transects) presented higher total zooplankton abundances than day stations. 

Page 37: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

21 

 

Fig. 4. Horizontal distribution of zooplankton water column total abundance. 

 

Vertical dynamics 

Current direction and magnitude measurements were very  similar  throughout water column 

and  results observed were  in accordance with  tidal  variation  (Table 1). Current direction varied 

mainly between South and West,  respectively during  flooding and ebbing  tides,  and  speed was 

significantly higher during flood tides  (t value =  ‐ 4.7042, p < 0.01), with average current of 252 

and  202 mm  s‐1,  respectively  for  flood  and  ebb  tides. Minimum  velocity  values  observed were 

coincident  with  predicted  tides  at  Chinde,  near  the  Zambezi  delta  (Fig.  5),  thus  showing  no 

significant  delay  to  the  sampling  area.  Current  direction  was  similar  in  all  sampling  depths 

throughout the 48‐hour sampling period and the residual currents were generally over 150 mm s‐1 

from South. However,  current  speed presented vertical variation without apparent consistence, 

i.e.,  in some periods higher values were at  the 16 m deep while  in others at 25 m.  It should be 

noted  that  the ADCP only  registered below the 16 m depth  layer,  thus  results do not  show the 

water mass behaviour above that depth. Water transparency varied mainly between 10 and 20 m 

deep, presenting no significant periodicity throughout sampling period. 

35.5 36.0 36.5 37.0 37.5

-19.6

-19.4

-19.2

-19.0

-18.8

-18.6

-18.4

Biovolume

Longitude

Latitude

1.6

3.2

4.8

6.4

8

ml.l !1

Page 38: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 22 

 

 

Table 1. Auto‐ and cross‐correlations of relevant hydrobiological parameters and their significance 

                                     Parameter    Periodicity (h)    Significance    Depth (m)    (Cross ‐ ) correlated with         Temperature    6 (opp.)      Tide variation    20, 30*, 40*    Current direction** (opp. phase; r = 0.681) Salinity      6 (opp.)      Tide variation    20      Current direction** (r = 0.681) Fluoroscence    6 (opp.)      Tide variation    30, 40      ‐ Current magnitude  12      Tidal cycle    0 – 30**     ‐ Current direction   12      Tidal cycle    All depths***    N* (r = 0.363) NO2

‐ + NO3‐    6 (opp.)      Tide variation    40      Si*** (r = 0.533) 

Si(OH)4      6 (opp.)      Tide variation    20*      P* (r = 0.369) diadinoxanthin (30 m: r = 0.289; 40 m: r = 0.213) fucoxanthin (30 m: r = 0.366; 40 m: r = 0.468) 

Zeaxanthin    4      Water mass    20**      ‐ Zooplankton    12 (opp.)    Diel cycle    All** (except 10/20 m)  ‐             

* p < 0.1, ** p < 0.05; *** p < 0.01; opp., opposed phase 

 

 

Page 39: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

23 

 

Fig. 5. Variation of 1‐h average currents direction (a, degrees) and magnitude (b, mm s‐1) at several depths ( ‐ 16 m,  ‐ 25 m,  ‐ 34 m). Upper and downward arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

Page 40: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 24 

Fig. 6. Temperature (a, ºC) and salinity (b) variation during 48‐hour cycle. Upper and downward arrows 

indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

The water column was vertically  stratified below the  thermocline during sampling period, as 

seemed clearly from salinity data (Fig. 6). Thermocline and halocline depths oscillated between 15 

and 20 m for most of the cycle, and both temperature and salinity followed the same trend with a 

6‐hour opposed‐phase periodicity (Table 1). During the low tide period it was generally observed 

less saline waters and warmer temperatures down to greater depths in the water column (Fig. 6). 

Throughout  the  last  period  of  the  48‐hour  cycle  the  water  column  physical  properties  did  not 

show  the  same  dynamics,  specifically  in  the  end  of  the  second  day where  an  intrusion  of  less 

saline waters was observed deeper (around 30 m). 

Nutrient concentrations ranged from 0 to 2.01 µmol  l‐1  for N, 1.65 to 2.94 µmol  l‐1  for P and 

4.70 to 15.70 µmol l‐1 for Si (Fig. 7). N concentration was higher near the bottom during low tides, 

which  is  consistent  with  a  significant  6‐hour  opposed‐phase  periodicity  and  to  the  strong 

correlation  found  with  current  direction  at  the  40  m  depth  layer  (Table  1).  Despite  Si 

concentration only showed tidal periodicity at shallower depths, it was positively correlated to N 

and P at 40 m deep (Table 1). Nutrient ratios N:P and N:Si were calculated and ranged both from 0 

Page 41: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

25 

to 0.41 and 0.15, respectively. These ratios were strongly determined by N concentration that was 

generally under the method detection limit. 

Fig. 7. Nutrient concentrations (µmol l‐1) during the 48‐hour cycle (a ‐ N;b ‐ P;c ‐ Si). Upper and downward arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

Page 42: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 26 

Fig. 8. Pigment ratios during the 48‐hour cycle (left graphic:  ‐ chlorophyll c3,  ‐ chlorophyll c1+c2,  ‐ zeaxanthin  ‐ pheophorbide a; right graphic:  ‐ 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin,  ‐ chlorophyll b,  ‐ 19’‐butanoyloxyfucoxanthin,   ‐  fucoxanthin). Upper and downward arrows  indicate predicted high and  low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

! ! !

!

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

Index

0

1

2

3

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

Index

0

1

2

3

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

!

! ! ! ! !

!

! !

Index

0

1

2

3

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !

!

!

!

Index

0

1

2

3

!

!!

!

!

! ! !!

!

!

!

!

!

!

!

!

! ! ! !

!

!!

Index

0

1

2

3

17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13

Index

Index

Index

Index

Index

17 21 1 5 9 13 17 21 1 5 9 13

Local Hour (GMT + 2)

Pig

me

nt

rati

os

5 m

10 m

20 m

30 m

40 m

Page 43: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

27 

Deep  chlorophyll  maximum  (DCM)  was  close  to  the  bottom  (around  40  m  deep)  and 

fluorescence  data  from  30  and  40  m  presented  a  6‐hour  opposed‐phase  periodicity  variation 

(Table 1). HPLC analysis revealed a total of 13 pigments, generally presenting low concentrations 

(Table 2). Chl a concentration was very low throughout the study (between 0.003 and 0.202 µg l‐1) 

and  the highest  values were normally  found at  40 m deep.  The most  abundant pigments were 

19’‐hexanoyloxyfucoxanthin, chlorophyll b and pheophorbide a,  located mainly between 20 and 

40  m  deep.  Other  detected  pigments,  such  as  alloxanthin,  diadinoxanthin,  peridinin  and 

prasinoxanthin, were  very  scarce,  and  higher  concentrations were  also  observed  at  40 m deep 

(Table 2). Vertical dynamics of pigment ratios is shown in Fig. 8. The only pigment with a different 

vertical distribution pattern was zeaxanthin, indicator pigment of cyanobacteria, which presented 

low  concentrations  at  deeper  strata  (30  and  40 m)  and  higher  at  the  upper  ones  (t  value  =  ‐ 

5.3773, p < 0.01). Concerning the relation between pigments and nutrients, apart from zeaxanthin 

and  peridinin,  all  pigments  were  correlated  to  N  at  the  deeper  strata  (30  and  40  m),  while 

correlations  to  P,  when  significant,  were  always  negative.  Si  was  positively  correlated  to 

diadinoxanthin and fucoxanthin at the deeper stratum (Table 1). As regards to the trophic status 

obtained though the Fp pigment index, it was calculated for each sampled vertical profile (every 2 

h), and results obtained were on average 0.16 (sd = 0.09) for the 48‐hour sampling period. 

Zooplankton biovolume ranged from 0.04 to 3.16 ml l‐1, with maximum values near the bottom 

during  daylight  and  near  the  surface  layers  at  night  periods  (Fig.  9).  During  dark  periods  the 

biovolume  at  all  strata  presented  similar  values  denoting  an  even  distribution  of  organisms 

throughout the water column vertical profile, while during day zooplankton abundance was very 

different  along  the  sampled  strata.  Significant  12‐hour  cyclic  variations  were  observed  for 

zooplankton  at  both  shallower  and  deeper  samples  (Table  1).  Nonetheless,  the  maximum 

zooplankton  higher  density  was  consistently  at  the  bottom  layers,  a  similar  pattern  when 

compared to pigments vertical distribution. 

Page 44: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 28 

 

 

Table 2. HPLC pigment mean concentrations (µg l‐1) at 40 m deep and their associated phytoplankton classes (Jeffrey et al. 1997) 

                                   Pigments      Concentration (min ‐ max)  %    Occurrence             Chlorophyll a      0.080 (0.013‐0.189)    41    A proxy of total algae biomass Chlorophyll c1, c2    0.024 (0.000 – 0.071)    12.3    Diatoms, prymnesiophytes, crysophytes, dinoflagellates Chlorophyll c3      0.062 (0.000 – 0.145)    31.8    Crysophytes, prymnesiophytes Chlorophyll b      0.029 (0.000 – 0.079)    14.9    Chlorophytes, euglenophytes, prasinophytes Total chlorophylls    0. 195 (0.013 – 0.484)    100  Fucoxanthin      0.054 (0.000 – 0.210)    27.1    Diatoms, prymnesiophytes, crysophytes Peridinin      0.003 (0.000 – 0.143)    1.5    Dinoflagellates Diadinoxanthin      0.008 (0.000 – 0.021)    4.0    Diatoms, prymensiophytes, crysophytes, dinoflagellates 19’‐hexanoyloxyfucoxanthin  0.086 (0.000 – 0.154)    43.2    Prymnesiophytes Alloxanthin      0.001 (0.000 – 0.002)    0.5    Cryptophytes Prasinoxanthin      0.012 (0.000 – 0.028)    6.0    Prasinophytes Zeaxanthin      0.007 (0.000 – 0.023)    3.5    Cyanobacteria, chlorophytes 19’‐butanoyloxyfucoxanthin  0.028 (0.000 – 0.066)    14.1    Crysophytes, prymnesiophytes Total carotenoids    0.199 (0.000 – 0.647)    100  Pheophorbide a     0.091 (0.000 – 0.197)        Zooplankton grazing           

 

 

Page 45: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

29 

 

Fig. 9. Zooplankton abundance (ml l‐1) at sampled strata ( ‐ neuston,  ‐ 0/5 m,  ‐ 5/10 m,  ‐ 10/20 m,  ‐ 20/30 m,  ‐ 30/40 m) during the 48‐hour cycle. Upper and downward arrows indicate predicted high and low tides, respectively; shaded rectangles indicate night periods. 

Page 46: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 30 

Discussion 

Hydrology and nutrients 

The  Sofala  Bank  is  a  Mozambican  wide  shelf  region  with  strong  tidal  currents  and  great 

hydrological  variability,  which  is  largely  determined  by  the  Zambezi  delta  discharge  and  also 

mesoscale  oceanographic  features  of  the  Mozambique  Channel  (Ridderinkhof  et  al.,  2001; 

Lutjeharms, 2006). Surface distribution of hydrological parameters, combined with tidal movements 

during  the  48‐hour  period,  showed  the  complexity  of  this  shelf  region,  and  the  inshore‐offshore 

gradient  revealed  this  influence  of  both  the  Zambezi  delta  runoff  and  heterogeneity  of 

oceanographic  currents  on  the  mid  continental  shelf  waters.  During  the  sampled  period,  the 

estuarine water intrusion was not significantly affecting this shelf region, since salinity here obtained 

near  the  coast  was  around  35,  which  is  considerably  higher  than  salinity  values  similar  to  20, 

described by Lutjeharms (2006)  for the Sofala Bank region during the wet season. The period from 

January  to March  is when higher  rainfalls are observed and greater effects of estuarine discharges 

influence this shelf region, thereby increasing nutrients inputs and decreasing light penetration due 

to dispersal of the turbid estuarine plumes. This study was carried out in December, at the end of dry 

season  in  the  area,  before  the  beginning  of  the  rainy  season.  Accordingly, minor  estuarine  runoff 

effects  were  observed,  explaining  the  high  salinities  and  water  transparency  observed.  A  central 

water mass with different water properties  from the onshore and offshore analysed coastal  region 

was evidenced by vertical cross‐sections perpendicular to shore (Fig. 3). The existence of this water 

mass could be a marker of an earlier estuarine discharge event, since the distinct lower salinity and 

its  only  presence  at  the  surface  (<  20 m).  However,  evidence  of  this  particular  structure was  not 

observed  through  nutrient  concentrations,  and  only  Si  concentrations  evidenced  a  gradient 

perpendicular to shore. 

Diel hydrological variations also showed a degree of river  influence through lower salinity  in the 

upper water column layers, modulated by tidal currents as well as other oceanographic currents. The 

lower salinity values observed until greater depths at the end of the sampling period (Fig. 6) could be 

explained  by  vertical  mixing  phenomena,  since  during  that  period  the  tidal  currents  were  slightly 

different  for  analysed  depths,  and  the  surface  water  mass  seemed  to  be  homogenised  down  to 

greater depths. Tidal currents also affected nutrient dynamics, observed by N and Si concentrations 

periodicity at certain depths. These trends were probably associated to sediment resuspension, and 

not to estuarine intrusion, as a source of nutrient loadings, since none of nutrient periodicities were 

detected near surface, where less dense estuarine waters were present. Nitrogen source is typically 

Page 47: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

31 

from  river  effluents  (Verity  et  al.,  1993;  Wawrik  et  al.,  2004),  however,  the  N  distribution  here 

observed  suggests  vertical  resuspension  as  its  source  ascribable  to  tidal  energy,  which  could  also 

explain the correlation amongst nutrients concentrations at 40 m deep. 

Nutrient concentrations obtained were typical from oligotrophic waters (Kromkamp et al., 1997; 

Tyrrell, 1999; Giraud et al., 2008) and the extremely low concentrations of N in relation to P and Si 

should be carefully discussed. During the 48‐hour cycle P concentration was on average 2.253 µmol l‐

1, which  are high  concentrations when  compared  to other  coastal  zones  studies  (e.g.  Balkis,  2003; 

Wawrik et al., 2004; Sabetta et al., 2008) though comparable concentrations to other Western Indian 

Ocean  studies  (e.g.  Paula  et  al.,  1998;  Lugomela  et  al.,  2001).  Regarding  Si,  average  concentration 

was  8.857  µmol  l‐1,  considerably  higher  than  P  and  N,  in  accordance  with  other  studies  at  the 

Western Indian Ocean (Paula et al., 1998; Barlow et al., 2007, 2008). The unusual N:P and N:Si ratios 

observed were strongly determined by the extremely low N concentrations. Several studies have also 

found  such  low  ratios. Wawrick  et  al.  (2004)  studied  the nutrient  dynamic  in  the Mississippi  River 

plume and obtained nutrient ratios of N:P ~ 2 and N:Si ~ 0.2 at non‐plume stations, while Burford et 

al. (1995) obtained N:P ratios generally less than 4, ranging from 0.1 to 20, in the Gulf of Carpentaria 

(Australia).  For  the Western  Indian Ocean,  in  particular,  Kitheka  et  al.  (1996),  reporting  results  on 

nutrient dynamics at the Kenya coast, observed mean N:P ratios  ~1 during the flood tide. Mengesha 

et al. (1999) also observed very low N concentrations ranging from < 0.1 to 0.41 µmol l‐1, even lower 

concentrations  than  observed  at  Sofala  Bank.  These  authors  identified  ammonia  as  the  major 

inorganic  nitrogenous  nutrient,  representing  on  average  72%  of  the  total  dissolved  inorganic 

nitrogen concentrations. In the present study ammonia concentration was not measured, however it 

is unlikely that if this component was taken into account the N:P ratio would change significantly. For 

N at oligotrophic waters, Lalli and Parsons (1977) indicated values of 0.01 to 0.1 uM as constants of 

semi‐saturation. Therefore, as discussed by several authors (Burford et al., 1995; Tyrrell, 1999; Balkis, 

2003; Wawrick  et  al.,  2004;  Howarth  and Marino,  2006),  it  seems  clear  the  limiting  role  of  N  for 

Sofala Bank during our study, thus influencing phytoplankton abundance and composition. 

Phytoplankton 

Sofala Bank  is  known as one of  the most productive  shelf  regions of Mozambique  (Lutjeharms, 

2006;  Barlow  et  al.,  2008),  however  the  horizontal  distribution  of  chl  a  revealed  very  low 

phytoplankton  biomass,  apart  from  the  nearer  to  coast  area  where  the  effects  of  river  runoff 

nutrient  loadings  undergo  first.  Currents  describe  south‐western  directions  throughout  the  tidal 

Page 48: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 32 

wave  rotation,  therefore  the  estuarine  plume  was  most  likely  moving  southwards  and  major 

estuarine  effluents were  enhancing  phytoplankton  biomass  at  this  southern  nearer  to  coast  area. 

This hypothesis is confirmed by vertical cross‐section of the southern transect, where phytoplankton 

biomass was higher at the surface waters nearer to shore. On the other hand, the vertical profiles of 

northern  stations  display  higher  phytoplankton  biomass  near  the  bottom,  where  a  discontinuity 

occurs. This bottom discontinuity probably promotes the resuspension of sediment ascribed to tidal 

direction  and  magnitude  variation,  supporting  nutrients  availability  that  enhanced  phytoplankton 

biomass. 

Apart  from  distance  to  shore  and  associated  environmental  gradients,  phytoplankton 

communities’  structure  and  abundance  are  also  determined  by  hydrological  vertical  variations 

(Balkis,  2003;  Barlow  et  al.,  2007;  Sabetta  et  al.,  2008).  During  the  48‐hour  cycle  the majority  of 

phytoplankton biomass was near the bottom, probably because of nutrient availability and high light 

penetration, as DCM was always below the pycnocline depth. Nutrient availability often determines 

primary  production  vertical  patterns  and  phytoplankton  communities’  structure  and  abundance 

(Verity et al., 1993; Bouman et al., 2003). The high planktonic concentrations observed near the 30 

and  40 m  layers  are  explained  through  the  availability  of  N  near  the  bottom  and  its  role  limiting 

phytoplankton biomass. As regards to  light penetration, the exposure to high light radiation induce 

photodamage  and  physiological  stress  in  phytoplankton  cells,  even  though  the  existence  of  some 

photoprotective  pigments  (Brunet  et  al.,  2008).  Therefore,  phytoplankton  depth  regulation  will 

depend upon nutrients availability and light penetration,  in order to  lead to a better exploration of 

the  ecosystem  resources  by  phytoplankton  cells. Moreover,  biological  responses  to  environmental 

conditions  seem  to  be  simultaneously  depending  on  the  group  and  size  of  phytoplankton  species 

(Brunet and Lizon, 2003). 

Microflagellates  phytoplankton  cells  (e.g.  prymnesiophyceans)  were  the  most  abundant  group 

observed  at  Sofala  Bank,  which  is  in  agreement  with  Claustre  (1994),  Cortés  et  al.  (2001)  and 

Dandonneau et  al.  (2006),  among others, who pointed out  the preference of prochlorophytes and 

small  flagellates  to  be  most  adapted  to  survive  in  impoverished  oligotrophic  environments.  The 

pigment  ratios  >  1  obtained  indicates  pigment  concentrations  higher  than  Chl  a,  which  is  in 

accordance to other phytoplankton communities from distinct oligotrophic environments (e.g. North 

Atlantic and Mediterranean Sea) where phytoplanktonic cells contain more accessory pigments that 

Chl a (Claustre, 1994). The trophic status here identified by nutrients composition is in accordance to 

the Fp pigment index calculated. The 0.16 mean pigment ratio obtained agrees with results from the 

North Atlantic  (0.06 ± 0.01) and Mediterranean  (0.18 ± 0.01) oligotrophic  regions  (Claustre, 1994), 

where picoplankton and nanoplankton are dominant. 

Page 49: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

33 

The majority of detected pigments displayed similar vertical movements in accordance with tidal 

variation and higher concentrations near  the bottom. Despite  that  tidal energy was a key  factor  in 

water mass  physico‐chemical  properties  variation,  the majority  of  phytoplankton  groups  temporal 

variation  revealed  strong  correlations  to  N,  and  also  diatoms  to  Si.  Low  diatoms  abundance  was 

probably  related  to  high  temperatures  registered,  which  limits  their  growth  (Verity  et  al.,  1993; 

Bouman et al., 2003; Barlow et al., 2008), while peridinin containing dinoflagellates were probably 

limited by these oligotrophic waters. 

Cyanobacteria  were  the  only  analysed  group  that  seemed  to  have  its maximum  abundance  at 

surface layers above thermocline depth, where turbulence phenomena are less  intense, which is  in 

accordance  with  other  studies  describing  shallower  distribution  patterns  of  Cyanobacteria, 

specifically the ubiquitous Synechococcus sp. throughout world oceans (Glover et al., 1988; Goericke 

et  al.,  2000;  Brunet  et  al.,  2008).  Cyanobacteria  variation  periodicity  at  20 m  deep  was  probably 

related to the water mass cyclical movements, as seen by salinity and temperature variations at the 

same  depth  Zeaxanthin  presence  is  normally  associated  to  Chlorophytes  and  Cyanobacteria, 

however,  since  in  this  study  there  were  no  correlations  between  zeaxanthin  and  chlorophyll  b 

(marker pigment of Chlorophytes) and divinyl chlorophyll a was below detection limits, which is also 

in  accordance  with  Barlow  et  al.  (2008)  for  inshore  stations  at  Delagoa  Bight  (Mozambique), 

zeaxanthin  here  detected  was  attributed  to  Cyanobacteria,  which  was  also  assumed  in  other 

Western  Indian  Ocean  studies  (e.g.  Barlow  et  al.,  2007,  2008).  Thereby,  zeaxanthin  horizontal 

distribution here observed  is  in accordance  to  the preference  for offshore waters also detected  in 

other Cyanobacteria studies (Hajdu et al, 2007; Barlow et al., 2008). 

The determination of the vertical distribution and migration patterns of Cyanobacteria and other 

phytoplankton groups are easily biased by sampling errors because horizontal advection of the water 

mass,  disruption  of  vertical  structures  by  wind  and  patchiness,  which,  together  with  the 

accumulation of phytoplankton groups  in relatively thin  layers, makes  it difficult to resolve the real 

vertical distribution (Hajdu et al., 2007). Some pigments registered different and amply distributions 

along  the  48‐hour  cycle.  Their  presence  at  surface  layers,  specifically  those  detected  at  5 m  deep 

could  be  related  to  horizontal  transport  from water mass  nearer  shore  and  not  to  phytoplankton 

vertical movements. The advection of water mass occurs during  low tides when water movements 

are  transversal,  i.e.,  inshore  ‐ offshore,  contributing  to  the exportation of biomass  from  the  coast. 

Therefore, less saline surface waters transport allochthonous biomass from coastal waters where the 

Page 50: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 34 

chl a  concentration  is  higher,  suggesting an enhancement of  the  system productivity  ascribable  to 

tidal energy (Brunet and Lizon, 2003). 

Zooplankton 

Zooplankton biovolume measurements  gave  rough  estimations  of  zooplankton  abundance with 

no  detailed  information  concerning  zooplankton  groups,  however  showed  the  trend  of  the 

community  as  a  whole.  Zooplankton  horizontal  distribution  was  greater  at  the  northern  stations, 

where  estuarine  influence  and  phytoplankton  biomass  were  concomitantly  lower,  as  it  probably 

suffered high grazing pressure. However,  radial  stations where zooplankton abundance was higher 

were sampled during night, therefore giving a biased view of zooplankton distribution. 

During the 48‐hour sampling, zooplankton abundance was higher at the upper strata during night 

and  at  deeper  strata  during  day.  These  results  are  in  accordance  with  the  typical  diel  vertical 

migration  (DVM) behaviour where  light  variation plays  a  key  role. However,  the deeper  affinity  of 

zooplankton here verified could also be related to deeper DCM, since most of zooplankton organisms 

are herbivorous. Zooplankton higher densities was often at  layers deeper than 20 m and there was 

no greater shallower abundances during the night, which might be related to energy acquisition and 

phytoplankton  deeper  affinity,  and  to  the  avoidance  of  unnecessary  risks  related  to  energy 

expenditure  and  predation  threat  (Zaret  and  Suffern,  1976;  Lampert,  1989).  The  absence  of 

significant  correlations  of  zooplankton  to  any  hydrobiological  parameter  could  be  explained  by 

different feeding activity periodicities, linked to the different species diversity and/or developmental 

stages (Daro, 1985). Pheophorbide a has been considered a proxy of zooplankton grazing (Barlow et 

al.,  1993;  Brotas  and  Plante‐Cuny,  1998),  and  its  concentration  at  shallower  levels  here  observed 

during night periods could be associated to zooplankton DVM. Pheophorbide a higher concentration 

at 40 m deep could also be related to grazing as well to sediment resuspension and phytoplankton 

degradation  products,  thus  it  was  not  possible  to  determine  their  source  and  the  real  impact  of 

zooplankton on phytoplankton community structure and abundance. 

 

Conclusion 

Low phytoplankton  biomass  and  nutrient  concentrations  here  obtained  are  in  accordance with 

typical oligotrophic  regions, yet a productive shelf  region such as  the Sofala Bank should have  rich 

nutrient  loadings  and  high  phytoplankton  biomass  to  support  the  strong  fisheries  levels  that 

characterize the area. The unexpected oligotrophic features observed were probably related to low 

Page 51: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

35 

precipitation levels prior to and during the sampling period, therefore conditioned by low estuarine 

discharges and associated  low nutrients  inputs. Even  though nutrients  flux  from the Zambezi delta 

may be significantly subsequent to rain, concentrations in coastal waters could also remain low due 

to  mixing  of  different  water  masses  from  the  estuarine  effluents  and  shelf  waters  (Verity  et  al., 

1993). 

Nutrient  dynamics  here  observed  was  strongly  determined  by  N  concentration,  however  data 

collected  and  incomplete  existent  knowledge  about  Sofala  Bank  is  clearly  insufficient  to  a  full 

comprehension of the abnormal nutrient ratios obtained. Even though,  it was possible to conclude 

that  phytoplankton  biomass  was  strongly  limited  by  N  availability,  which  together  with  tidal 

variations  were  important  driving  factors  modulating  this  ecosystem  vertical  dynamics. 

Phytoplankton  abundance  and  community  structure,  given  by  chemotaxonomic  pigments,  was 

dominated  by  prymnesiophyceans  and  other microflagellates,  and  vertical  distribution  changes  on 

pigments  concentration  were  quite  probably  associated  to  water  mass  advection,  which  is  an 

important process to enhance offshore system productivity. Even though the horizontal hydrological 

processes  influencing  phytoplankton,  the  highest  pigment  concentrations were  observed  near  the 

bottom layers (30 and 40 m) and not at surface layers. This phytoplankton deeper affinity was quite 

probably  influencing  zooplankton  vertical  movements,  since  most  of  zooplankton  organisms  are 

herbivorous  and  no  greater  shallow  abundances  during  night  were  observed.  However,  it  still 

remains to be answered why some zooplankton organisms were migrating  if  their  food was on the 

bottom layers. 

Few worldwide coastal  studies are aimed  to vertical dynamics of planktonic  communities,  from 

hydrological processes and nutrients that modulate production processes to phyto‐ and zooplankton. 

The present study contributes therefore to vertical dynamics knowledge on planktonic ecosystems, 

specifically  for  tropical  ecosystems were  these  processes  are  still  poorly  understood.  However,  to 

achieve a better understanding, further studies should aim to seasonal variations. Special attention 

should  be  given  to  nutrient  dynamics  in  tropical  ecosystems,  in  order  to  understand  the 

biogeochemical cycles occurring at tropical coastal regions. 

Acknowledgements 

This study was a Special Study as part of the research cruise ‘Ecosystem Survey Mozambique’ of 

the  wider  program  “Strengthening  the  knowledge  base  for  and  implementing  an  ecosystem 

approach  to  marine  fisheries  in  developing  countries”  from  the  Nansen  Program,  an  EAF  Project 

Page 52: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 36 

funded  by  the Norwegian  government  through NORAD,  the  Institute  of Marine  Research  (Bergen, 

Norway)  and  the  United  Nations  through  FAO. We  thank  IIP  (Instituto  de  Investigação  Pesqueira, 

Mozambique) and  its  current director, Dr. Domingos Gove,  for all  support. We are grateful  for  the 

productive assistance provided by the crew of R/V Dr. Fridtjof Nansen and the helpful support of J‐O. 

Krakstad, D. Zaera and C. Bento as well as other fellow scientists from IIP onboard. The authors thank 

C. R. Mendes for his contribution to nutrient and pigment analysis, M. Lipassula for his contribution 

to  nutrient  and  zooplankton  processing  and  to  P.  Oliveira  for  his  helpful  contribution  interpreting 

ADCP data. 

 

References 

Balkis, N., 2003. Seasonal variations in the phytoplankton and nutrient dynamics in the neritic water of Büyükçekmece Bay, Sea of Marmara. Journal of Plankton Research 25, 703‐717 

Bandeira,  S.O.,  Silva,  R.P.,  Paula,  J.,  Macia,  A.,  Hernroth,  L.,  Guissamulo,  A.T.,  Gove,  D.Z.,  2002. Marine Biological Research in Mozambique: Past, Present and Future. AMBIO 31, 606‐609 

Barlow, R.G., Mantoura, R.F.C., Gough, M.A., Fileman, A.T., 1993. Phaeopigment distribution during the 1990 spring bloom in the Northeastern Atlantic. Deep‐Sea Research Part I 40, 2229‐2242 

Barlow,  R.,  Stuart,  V.,  Lutz,  V.,  Sessions,  H.,  Sathyendranath,  S.,  Platt,  T.,  Kyewalyanga,  M., Clementson, L., Fukasawa, M., Watanabe, S., Devred, E., 2007. Seasonal pigment patterns of surface phytoplankton  in the subtropical southern hemisphere. Deep‐Sea Research Part  I 54, 1697‐1703 

Barlow,  R.,  Kyewalyanga,  M.,  Sessions,  H.,  van  der  Berg,  M.,  Morris,  T.,  2008.  Phytoplankton pigments,  functional  type,  and absorption properties  in  the Delagoa and Natal  Bights of  the Agulhas ecosystem. Estuarine, Coastal and Shelf Science 80, 201‐211 

Bendshneider,  K.,  Robison,  N.J.,  1952.  A  New  spectrophotometric  determination  of  nitrite  in seawater. Journal of Marine Research 11, 87‐96 

Bouman,  H.A.,  Platt.,  T.,  Sathyendranath,  S.,  Li,  W.K.W.,  Stuart,  V.,  Fuentes‐Yaco,  C.,  Maass,  H., Horne, E.P.W., Ulloa, O., Lutz, V., Kyewalyanga, M., 2003. Temperature as indicator of optical properties  and  community  structure  of  marine  phytoplankton:  implications  for  remote sensing. Marine Ecology Progress Series 258, 19‐30 

Brotas,  V.,  Plante‐Cuny,  M.R.,  1998.  Spatial  and  temporal  patterns  of  microphytobenthic  taxa  of estuarine  tidal  flats  in  the  Tagus  Estuary  (Portugal)  using  pigment  analysis  by  HPLC. Marine Ecology Progress Series 171, 43‐57 

Brunet,  C.,  Lizon,  F.,  2003.  Tidal  and  diel  periodicities  of  size‐fractionated  phytoplankton  pigment signatures  at  an  offshore  station  in  the  southeastern  English  Channel.  Estuarine,  Coast  and Shelf Science 56, 833‐843 

Brunet,  C.,  Gasotti,  R.,  Vantrepotte,  V.,  2008.  Phytoplankton  diel  and  vertical  variability  in photobiological  responses at a coastal  station  in  the Mediterranean Sea.  Journal of Plankton Research 30, 645‐654 

Page 53: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

37 

Burford,  M.A.,  Rothlisberg,  P.  C.,  Wang,  Y.,  1995.  Spatial  and  temporal  distribution  of  tropical phytoplankton  species  and  biomass  in  the  Gulf  of  Carpentaria,  Australia.  Marine  Ecology Progress Series 118, 255‐266 

Claustre,  H.,  1994.  The  trophic  status  of  various  oceanic  provinces  as  revealed  by  phytoplankton pigment signatures. Limnology Oceanography 39, 1206‐1210. 

Cortés, M.Y., Bollmann, J., Thierstein, H.R., 2001. Coccolithophore ecology at the HOT station ALOHA, Hawaii. Deep‐Sea Research Part II 48, 1957‐1981. 

Criales‐Hernández,  M.I.,  Schwamborn,  R.,  Graco,  M.,  Ayón,  P.,  Hirche,  H.J.,  Wolf,  M.,  2008. Zooplankton  vertical  distribution  and  migration  off  Central  Peru  in  relation  to  the  oxygen minimum layer. Helgoland Marine Research 62, S85‐S100 

Dandonneau,  Y.,  Montel,  Y.,  Blanchot,  J.,  Giraudeau,  J.,  Neveux,  J.,  2006.  Temporal  variability  in phytoplankton  pigments,  picoplankton  and  coccolithophores  along  a  transect  through  the North Atlantic and tropical southwester Pacific. Deep‐Sea Research I 53, 689‐712 

Daro MH  (1985)  Feeding  rhythms and  vertical  distribution of marine  copepods.  Bulletin of Marine Science 37, 487‐497 

Fanning, K.A.,  Pilson, M.E.Q.,  1973. On  the  spectrophotometric determination of dissolved  silica  in natural waters. Analytical Chemistry 45:136‐141 

Garnier, J., Cugier, P., 2004. Drainage basin use and nutrient supply by rivers to the coastal zone. A modelling  approach  to  the  Seine  river.  In:  P.  Wassmann,  K.  Olli  (Editors),  Drainage  basin nutrient  inputs and eutrophication: an  integrated approach. University of Tromsø, Norway, p 60‐87 

Giraud,  X.,  Quéré,  C.L.,  Cunha,  L.C.,  2008.  Importance  of  coastal  nutrient  supply  for  global  ocean biogeochemistry. Global Biogeochemical Cycles, 22, GB2025 

Glover,  H.E.,  Prézelin,  B.B.,  Campbell,  L., Wyman, M.,  1988.  Pico‐  and  ultraplankton  Sargasso  Sea communities:  variability  and  comparative  distributions  of  Synechococcus  spp.  and  algae. Marine Ecology Progress Series 49, 127‐139 

Goericke,  R.,  Olson,  R.J.,  Shalapyonok,  A.,  2000.  A  novel  niche  for Prochlorococcus  sp.  in  low‐light suboxic  environments  in  the  Arabian  Sea  and  the  Eastern  Tropical  North  Pacific.  Deep‐Sea Research Part I 47, 1183‐1205 

González‐Gordillo, J.I., Rodríguez, A., 2003. Comparative seasonal and spatial distribution of decapod larvae  assemblages  in  three  coastal  zones  off  the  south‐western  Iberian  Peninsula.  Acta Oecologica 24, S219‐S233 

Grasshoff, K., 1976. Methods of Seawater Analysis. Verlag Chimie, New York 

Hajdu, S., Höglander, H., Larsson, U., 2007. Phytoplankton vertical distributions and composition  in Baltic Sea cyanobacterial blooms. Harmful Algae 6, 189‐205 

Hecky,  R.E.,  Kilham,  P.,  1988.  Nutrient  limitation  of  phytoplankton  in  freshwater  and  marine environments:  A  review  of  recent  evidence  on  the  effects  of  enrichment.  Limnology Oceanography 33, 796‐822 

Hill, A.E., 1991. Vertical migration in tidal currents. Marine Ecology Progress Series 75, 39‐54. 

Howarth, R.W., Marino, R., 2006. Nitrogen as the limiting nutrient for eutrophication in costal marine ecosystems: Evolving views over three decades. Limnology Oceanography 51, 364‐376 

Page 54: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 2 

 38 

Jeffrey,  S.W.,  Mantoura,  R.F.C.,  Wright,  S.W.,  1997.  Phytoplankton  Pigments  in  Oceanography. UNESCO, Paris, 661 pp. 

Kitheka, J.U., Ohowa, B.O., Mwashote, B. M., Shimbira, W.S., Mwaluma, J. M., Kazungu, J. M., 1996. Water  circulation  dynamics,  water  column  nutrients  and  plankton  productivity  in  a  well‐flushed tropical bay in Kenya. Journal of Sea Research 35, 257‐268 

Kromkamp, J., Bie, M., Goosen, N., Peene, J., Rijswijk, P.V., Sinke, J., Duineveld, G.C.A., 1997. Primary production by phytoplankton along the Kenyan coast during  the SE monsoon and November intermonsoon  1992,  and  the  occurrence  of  Trichodesmium.  Deep‐Sea  Research  Part  II  44, 1195‐1212 

Lampert, W.,  1989.  The  adaptive  significance  of  diel  vertical migration  of  zooplankton.  Functional Ecology 3, 21‐27 

Lalli, C.M., Parsons, T.R., 1997. Biological Oceanography. An Introduction, Second Edition, The Open University, 314 pp. 

Lugomela, C., Wallberg, P., Nielsen,  T.G.,  2001. Plankton  composition and  cycling of  carbon during the  rainy  season  in  a  tropical  coastal  ecosystem,  Zanzibar,  Tanzania.  Journal  of  Plankton Research 23, 1121‐1136 

Lutjeharms,  J.R.E.,  2006.  The  costal  oceans  of  south‐eastern  Africa.  In:  A.R.  Robinson,  K.H.  Brink (Editors) The Sea Vol 14. Harvard University Press, Cambridge, MA, pp. 783‐834 

Mengesha,  S., Dehairs,  F.,  Elskens, M., Goeyens,  L.,  1999.  Phytoplankton Nitrogen Nutrition  in  the Western  Indian  Ocean:  Ecophysiological  Adaptations  of  Neritic  and Oceanic  Assemblages  to Ammonium Supply. Estuarine, Coastal and Shelf Science 48, 589‐598 

Moore,  L.R.,  Goericke,  R.,  Chisholm,  S.W.,  1995.  Comparative  physiology  of  Synechococcus  and Prochlorococcus:  influence  of  light  and  temperature  on  growth,  pigments,  fluorescence  and absortive properties. Marine Ecology Progress Series 116, 259‐275 

Murphy, J., Riley, J.P., 1962. A modified single solution method for the determination of phosphate in natural waters. Analytica Chimica Acta 27, 31‐36 

Paula, J., Pinto, I., Guambe, I., Monteiro, S., Gove, D., Guerreiro, J., 1998. Seasonal cycle of planktonic communities at Inhaca Island, southern Mozambique. Journal of Plankton Research 20, 2165‐2178 

Postel, L., Fock, H., Hagen, W., 2000. Biomass and abundance. In: R.P. Harris, P.H. Wiebe, J. Lenz, H.R. Skjoldal, M. Huntley (Editors) ICES Zooplankton methodology manual. Academic Press, London, pp. 83‐192 

Queiroga, H.,  Cruz,  T.,  dos  Santos,  A.,  Dubert,  J.,  González‐Gordillo,  J.I.,  Paula,  J.,  Peliz,  A.,  Santos, A.M.P., 2007. Oceanographic and behavioural processes affecting invertebrate larval dispersal and supply in the western Iberia upwelling ecosystem. Progress in Oceanography 74, 174‐191 

R  Development  Core  Team,  2008.  R:  A  language  and  environment  for  statistical  computing.  R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. WWW Page, http://www.R‐project.org 

Ridderinkhof,  H.,  Lutheharms,  J.R.E.,  Ruijter,  W.P.M.,  2001.  A  research  cruise  to  investigate  the Mozambique Current. South African Journal of Science 97, 461‐464 

Sabetta,  L.,  Basset, A.,  Spezie, G.,  2008. Marine phytoplankton  size‐frequency distributions:  Spatial patterns and decoding mechanisms. Estuarine, Coastal and Shelf Science 80, 181‐192 

Santos, A.M.P., Ré, P., dos Santos, A.,  Peliz, A.,  2006. Vertical distribution of  the European  sardine (Sardina pilchardus) larvae and its implications for their survival. Journal of Plankton Research 28, 523‐532 

Schlitzer, R., 2008. Ocean Data View. WWW Page, http://odv.awi.de 

Page 55: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Distribution and vertical dynamics of planktonic communities at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

39 

Silva,  A.,  Mendes,  C.R.,  Palma,  S.,  Brotas,  V.,  2008.  Short‐time  scale  variation  of  phytoplankton succession  in  Lisbon bay  (Portugal) as  revealed by microscopy cell  counts and HPLC pigment analysis. Estuarine, Coastal and Shelf Science 79, 230‐238 

Svensson,  J.E.,  Stenson,  J.A.E.,  1991.  Herbivoran  impact  on  phytoplankton  community  structure. Hydrobiologia 226, 71‐80 

Tyrrell, T., 1999. The relative influences of nitrogen and phosphorus on oceanic primary production. Nature 400, 525‐531 

Urbach, E., Scanlan, D.J., Distel, D.L., Waterbury, J.B., Chisholm, S.W., 1998. Rapid Diversification of Marine Picophytoplankton with Dissimilar Light‐Harvesting Structures Inferred from Sequences of  Prochlorococcys  and  Synechococcus  (Cyanobacteria).  Journal  of  Molecular  Evolution  46, 188‐201 

Vanni, M.J.,  1987.  Effects  of  Nutrients  and  Zooplankton  Size  on  the  Structure  of  a  Phytoplankton Community. Ecology 68, 624‐635 

Verity, P.G., Yoder, J.A., Bishop, S.S., Nelson, J.R., Craven, D.B., Blanton, J.O., Robertson, C.Y., Tronzo, C.R.,  1993.  Composition,  productivity  and  nutrient  chemistry  of  a  coastal  ocean  planktonic food web. Continental Shelf Research 13, 741‐776 

Wawrik, B., Paul, J.H., Bronk, D.A., John, D., Gray, M., 2004. High rates of ammonium recycling drive phytoplankton productivity in the offshore Mississippi River plume. Aquatic Microbial Ecology 35, 175‐184 

Zaret,  T.M.,  Suffern,  J.S.,  1976.  Vertical  migration  in  zooplankton  as  a  predator  avoidance mechanism. Limnology Oceanography 21, 804‐813 

Zapata, M., Rodríguez, F., Garrido, J.L., 2000. Separation of chlorophylls and carotenoids from marine phytoplankton: a new HPLC method using a reversed phase C8 column and pyridine‐containing mobile phases. Marine Ecology Progress Series 195, 29‐45 

 

Page 56: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 57: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 

 

41 

 

 

 

 

 

 

Chapter 3 

 

 

Page 58: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 59: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Vertical dynamics of the gold‐spot herring (Herklotsichthys quadrimaculatus) larvae at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

43 

Vertical  dynamics  of  the  gold‐spot  herring  (Herklotsichthys 

quadrimaculatus) larvae at Sofala Bank, Mozambique 

Miguel Costa Leal1, Tânia Costa Pereira2, Vanda Brotas3, José Paula1 

1 Centro de Oceanografia, Laboratório Marítimo da Guia, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Av. Na Senhora do Cabo, 939, 2759‐374 Cascais, Portugal 

2 Instituto Nacional de Investigação Pesqueira de Moçambique, Av. Mao Tse‐Tung nº 389, Maputo, C. P. 4603 Moçambique 

3 Centro de Oceanografia, Instituto de Oceanografia, Faculdade de Ciências da Universidade de Lisboa, Campo Grande, 1749‐016 Lisboa, Portugal 

Abstract 

Larval fish vertical movements are important to determine survival and dispersal processes, hence 

recruitment variability. This study presents results of the vertical dynamics of the gold‐spot herring 

(Herklotsichthys  quadrimaculatus)  larvae  observed  at  Sofala  Bank  (Mozambique)  throughout  a  48‐

hour sampling where depth‐stratified zooplankton samples were taken every 2 h together with CTD 

profiles at a  fixed  station. The vertical position according  to ontogenic variation and  its  relation  to 

zooplankton  abundance were  also  investigated.  Larvae displayed diel  vertical migrations  and were 

mainly  distributed  in  the  upper  water  column  (0  –  20  m)  during  the  night  and  almost  absent  of 

sampled  strata  during  the  day.  Larger  larvae  dominated  the  neuston  layer  during  the  night  while 

during daylight periods remained close to the bottom. Vertical dynamics of H. quadrimaculatus here 

observed  are  discussed  considering  horizontal  dispersal  processes,  ontogenic  changes,  feeding 

activity upon zooplankton and predation risk. 

Keywords: Fish larvae; diel vertical migration; ontogeny; predation risk 

 

Introduction 

Larval fish vertical dynamics is one of the key processes determining recruitment success (Fiksen 

et al., 2007). Accordingly, the integration of larval behaviour with hydrological circulation patterns is 

crucial  to  improve  our  knowledge  on  fish  larvae  growth,  survival  and  dispersion.  Furthermore, 

Page 60: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 3 

 44 

information on its vertical distribution is fundamental for efficient and reliable sampling for studies 

on  larval ecology  (Yamashita et al., 1985), dispersal processes  (Hare and Govoni, 2005; Voss et al., 

2007) and stock estimation (Reid, 2001). 

Larvae active depth selection has been proven to be advantageous for the avoidance of adverse 

physical conditions (e.g.  temperature,  light,  turbulence), optimization of horizontal distribution and 

attraction and escaping respectively to high prey and predator density (Olla and Davis, 1990; Heath, 

1992; Hare and Govoni, 2005). These features have been widely studied for a number of fish larvae, 

including clupeids. Blaxter  (1973) studied the effect of  light  intensity on the vertical movements of 

herring and concluded that larvae tended to aggregate close to surface at night, which has also been 

described by Voss  et  al.  (2007)  and  Santos  et  al.  (2006),  respectively  for  sprat  and  sardine  larvae. 

These latter studies also investigated changes on diel vertical movements throughout ontogeny and 

observed surface night samples dominated by larger larvae, while smaller larvae were widely spread 

through water column with minor vertical movements. These patterns were explained by predator 

avoidance,  feeding activity and preference  for hydrological water mass properties. However, other 

studies also aimed to clupeid  larvae reported the opposite trend, observing  larger  larvae at deeper 

layers during night and few noticeable vertical movements  in response to  light  (Heath et al., 1988; 

Olivar  et  al.,  2001;  Stenevik  et  al.,  2001).  Accordingly,  predator  avoidance,  feeding  activity  and 

preference for hydrological water mass properties were once again pointed out as causative factors 

for  the  pattern  described.  Vertical  behaviour  thus  seem  to  vary  according  to  species  and  to  local 

hydrographic processes, since light response, prey selectivity, reproduction period and sinking rates 

are  different  amongst  species,  and  unique  hydrographic  features  of  each  costal  zone  differently 

affect larvae behaviour, which is adapted to maximize recruitment success (Heath et al., 1988; Hare 

and Govoni, 2005; Santos et al., 2006; Fisken et al., 2007; Voss et al., 2007). 

Despite  the  numerous  studies  on  several  clupeid  larvae,  none  focused  on  the  tropical  herring 

Herklotsichthys  quadrimaculatus   (Rüppell  1837),  also  known  as  the  gold‐spot  herring,  which  is  a 

major component of tuna baitfish (Lewis, 1990) and consumed by  local coastal communities at the 

Eastern  Africa  (KMFRI,  1981).  Adult  forms  are  fast  growing,  feed  selectively  on  high‐calorie 

zooplankton  taxa  and  spawn  continuously  after  maturing  until  dying  (Milton  et  al.,  1994).  At 

Mozambique H. quadrimaculatus  is broadly present on the coastal zone, namely at the Sofala Bank 

(INIPM,  unpublished  data),  a widely  shallow  shelf  in  front  of  the  Zambezi  River mouth where  the 

most  important  national  fisheries  occur.  Knowledge  of  Herklotsichthys  spp.  larvae  is  very  scarce 

(Thorrold and Williams, 1989) and for H. quadrimaculatus from the Western Indian Ocean only Harris 

and Cyrus (1999) described its high abundance throughout the year near Durban (South Africa). The 

vertical distribution and behaviour is still unknown for H. quadrimaculatus and information regarding 

Page 61: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Vertical dynamics of the gold‐spot herring (Herklotsichthys quadrimaculatus) larvae at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

45 

ontogenic  changes  on  depth  distribution  throughout  diel  variations  are  still missing.  Furthermore, 

the  hydrological  unique  properties  of  Sofala  Bank,  such  as  strong  tidal  currents  and  effects  of 

estuarine discharge (Lutjeharms, 2006), may change the influence of typical factors regulating larvae 

vertical  dynamics.  Tidal  energy  and  vertical mixing,  as well  as  other  local  oceanographic  features, 

could  therefore  have  a major  role  determining H.  quadrimaculatus  larvae  vertical  distribution  and 

diel movements. 

This study was a special study as part of the 2007 Mozambique Ecosystem Survey of the Nansen 

EAF Programme, and its main goal was to examine the vertical distribution and diel movements of H. 

quadrimaculatus larvae and its variation according to larval size. Furthermore, the relation to several 

hydrological  and  biological  factors,  such  as  light  variation,  vertical  mixing  and  zooplankton 

abundance, were also investigated based on a vertical stratified sampling for 48 h. 

 

Material and Methods 

Sampling took place onboard the R/V “Dr. Fridtjof Nansen” from the 7th to the 9th December 2007 

at  the Sofala Bank,  specifically near  the Zambezi River mouth were  river  runoff  effluents  and  tidal 

currents  strongly determine occurring ecological  processes  (Lutjeharms, 2006). A  fixed  station was 

carried out for 48 h over a bottom depth of 50 m (Fig. 1) and every 2 h transparency was measured 

using a Sechi Disk and CTD profiles were conducted recording density, temperature and salinity data 

every  1 m  depth  interval.  Detailed  and  integrated  analysis  of  currents,  physico‐chemical  (salinity, 

temperature, nutrients) and biological (phytoplankton pigments, zooplankton) data are described in 

Leal  et  al.  (unpublished  data).  Depth‐stratified  zooplankton  samples  were  taken  using  a  multinet 

(Midi model,  0.5  x  0.5 m mouth  size, Hydro‐bios) with  405 µm mesh  size  and  towed  at  ~2  knots, 

sampling on oblique hauls  for 2 min  in each  stratum  (0‐5, 5‐10, 10‐20, 20‐30 and 30‐40 m),  and a 

neuston net  (0.2 x 1.0 m mouth size) with  the same mesh size  towed horizontally at  similar  speed 

and  time,  sampling  the upper  20  cm of  the water  column. Both Hydro‐bios  and neuston nets  had 

flowmeters  mounted  to  monitor  flow.  All  zooplankton  samples  were  preserved  in  ~4%  borax‐

buffered  formaldehyde,  prepared  using  seawater.  Herring  H.  quadrimaculatus  larvae  were 

subsequently  sorted,  counted and measured  (standard  length)  to  the nearest 0.1 mm.  Lavae were 

identified according to Leis and Rennis (1983) and Leis and Carson‐Ewart (2004). 

Page 62: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 3 

 46 

 

Fig. 1. Location of the sampling station during the 48‐hour cycle. 

Zooplankton abundance was measured by means of biovolume using sedimentation conical jars, 

for 24 h settling time. Large gelatinous organisms (e.g. jelly fish) were removed because its significant 

buoyancy  makes  the  method  less  precise  (Postel  et  al.,  2000).  Zooplankton  abundance  weighted 

mean depth (WMD) of was calculated according to Worthington (1931): 

WMD = (∑nidi)/(∑ni) 

where ni is the zooplankton biovolume at mean depth di of each stratum. 

In order to test variation periodicities of hydrological and biological data and their co‐variations, 

autocorrelations and linear cross‐correlations were performed. Significant autocorrelations with a 2 

h lag were carefully analysed considering the sampling periodicity. Spearman correlation, Student’s t‐

test and one‐way ANOVA were also applied. All the statistical analysis and graphics were carried out 

using the software R (R Development Core Team, 2008). 

 

Results 

Water  column  was  vertically  stratified  for  physico‐chemical  properties  during  the  sampling 

period, with intense cline depths varying between 10 and 30 m depth, and a similar variation pattern 

throughout  the  48‐hours  was  observed  for  density,  temperature  and  salinity  (Fig.  2).  Concerning 

depth variation, the upper 10‐20 m of the water column were very homogeneous and presented low 

density and salinity and higher temperature, while near bottom higher density and salinity and lower 

temperatures were  observed.  Throughout  the  sampling  period,  physio‐chemical  vertical  variations 

Page 63: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Vertical dynamics of the gold‐spot herring (Herklotsichthys quadrimaculatus) larvae at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

47 

were very similar. At 20 m deep, density, temperature and salinity presented the same trend with a 

6‐hour  opposed‐phase  periodicity  and  at  30  and  40  m  deep  only  for  salinity  and  temperature 

significant  periodicities  were  observed  (Table  1).  These  6‐hour  opposed‐phase  periodicities 

correspond  to  a  complete  cycle  variation  of  12‐hours,  i.e.,  every  12  hours  the  same  pattern  is 

repeated. During the 48‐hour cycle these hydrological properties did not show the same dynamics, 

specifically  in the end of the second day where clines depth were considerably deeper (until 30 m) 

than  in  former  sampling  period  (Fig.  2). Water  transparency  varied mainly  between  10  and  20 m 

deep and no significant periodicity was detected. 

 

Fig. 2. Water column (a) density σt (kg m‐3), (b) temperature (ºC) and (c) salinity variation throughout the 48‐

hour cycle. Dashed rectangles indicate nigh periods and upward and downward arrows indicate high and low tides, respectively.       

Page 64: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 3 

 48 

Table 1. Auto‐ and cross‐correlations of relevant hydrobiological parameters and their significance. 

Parameter  Periodicity (h)  Significance  Depth (m) Temperature  6 (opp.)  Tide variation  20, 30*, 40 Salinity  6 (opp.)  Tide variation  20 Density  6 (opp.)  Tide variation  20, 30*, 40* H. quadrimaculatus  12 (opp.)  Diel cycle  All depths* Zooplankton WMD  12 (opp.)  Diel cycle  All depths** * P < 0.1, ** P < 0.01; opp., opposed phase 

Larvae total abundance in the water column was significantly different during day and night (t test 

= 5.38, P < 0.001), with higher total abundances observed during night. However, the highest larval 

concentrations were registered during dusk, since higher larvae abundance was observed in the first 

night samples (Fig. 3). Zooplankton biovolume ranged from 0.04 to 3.16 ml l‐1 and maximum volumes 

were observed near  the bottom during daylight  and near  the  surface  layers  during night  samples. 

Zooplankton WMD varied mainly between 10 and 30 m deep and followed the same trend registered 

for H. quadrimaculatus larvae, with shallower mean depths during night and deeper during day (Fig. 

3). Both zooplankton WMD and larval fish total abundance in the water column presented significant 

12‐hour periodicity (Table 1) and were significantly negatively correlated to each other (r = ‐0.65, P < 

0.001), i.e., when zooplankton WMD was lower (shallower) larval abundance was higher. Larval and 

zooplankton  abundance  were  positively  correlated  during  the  sampling  period  at  upper  strata 

(neuston: r = 0.58, P < 0.002; 0/5 m: r = 0.51, P < 0.05; 5/10 m: r = 0.42, P < 0.05), while at deeper 

strata (below 20 m deep) there were no statistically significant correlations. 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.  3.  Distribution  of  total  water  column  abundance  of  H.  quadrimaculatus  larvae  (bars)  and  zooplankton WMD  variation  ()  during  the  48‐hour  cycle.  Dashed  rectangles  indicate  nigh  periods  and  upward  and downward arrows indicate high and low tides, respectively. 

seq(0.5, 23.5)

1/(

(bvo

l_w

md

* 2

)/4

0)

17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 1 3 5 7 9 11 13 15

0

10000

20000

30000

40000

40

30

20

10

0

Local hour (GMT + 2)

Ab

un

da

nce

(larvae.1

00

m!3)

Zo

op

lan

kto

n W

MD

(m

)

Page 65: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Vertical dynamics of the gold‐spot herring (Herklotsichthys quadrimaculatus) larvae at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

49 

Larval fish distribution lengths varied between 2.99 and 22.89 mm and were significantly different 

during day and night (ANOVA, F = 201.45, P < 0.001) as well as throughout water column at different 

sampling  strata  (ANOVA,  F  =  208.25, P  <  0.001).  However,  the  only  stratum  significantly  different 

from all other was the neuston layer (Tukey HSD, P < 0.05). Larger larvae were only observed during 

the  night  and  showed  a  clear  preference  for  the  neuston  layer  while  smaller  larvae  tended  to 

concentrate mainly  at middle  strata  during  daylight  samples  (between  10  and  30 m  deep)  and  at 

shallower  depths  during  the  night  (between  0  and  20  m,  except  the  neuston  layer)  (Fig.  4).  The 

analysis  of  the  length  composition  revealed  a  displacement  for  small  larval  sizes  with  increasing 

depths mainly during the night, since during day larval fish abundance was residual in sampled strata. 

 Fig.  4.  Larval  length  composition  by  depth  strata  and  day/night  periods.  Dawn  and  dusk  times  were approximately  at  05:00  and  17:30  hours.  Black  and  white  columns  represent  pre‐  and  postflexion  larvae, respectively. 

 

Page 66: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 3 

 50 

Discussion 

Sofala Bank  is  a Mozambican wide  shelf  region  characterized by  strong  tidal  currents  and  large 

influence  of  estuarine  runoff  effects,  which  determine  hydrological  features  of  this  coastal  area 

(Lutjeharms,  2006).  The  variation of  both  tides  and estuarine  runoff were proven  to be  important 

factors determining water mass physico‐chemical properties that  influence planktonic communities 

vertical  dynamics  (Leal  et  al.,  unpublished  data).  These  vertical  and  temporal  variations  of  water 

mass properties, once more shown and shortly analysed in this study, were strongly regulated by the 

interaction  of  both  tidal  cycle  and  Zambezi  delta  estuarine  discharge,  illustrated  by  the  significant 

tidal periodicities observed  for  salinity,  temperature and density, as well by  their  vertical  gradient, 

illustrated by the upper  layer of warmer and less saline water. The vertical variation of water mass 

properties,  specifically  water  mass  stratification,  has  been  showed  to  affect  larval  fish  vertical 

behaviour. In order to avoid turbulence and clines, both upward (Olla and Davis, 1990; Coombs et al., 

2001) and downward  (Heath et al., 1988) displacement of  the  larvae vertical centre of distribution 

have been registered according to species analysed. However, the results here obtained concerning 

vertical  movements  appeared  to  be  only  determined  by  diel  light  variations  with  no  apparent 

avoidance for clines neither preference or avoidance for specific temperature or salinity, also shown 

by Gray and Kingsford (2003). 

Larval fish vertical distribution here observed points toward a concentration in the deepest layers 

(below 40 m deep) during the daylight period, possibly because at such depth the light penetration 

was very scarce, thus reducing predation risk by visual predators. During dusk an upward migration 

was  observed  with  higher  total  abundances  during  the  first  night  hours,  suggesting  that  H. 

quadrimaculatus  larvae were following a critical  light threshold  in order to feed upon zooplankton, 

since they are visual predators (Milton et al., 1994), without greatly increase the predation risk. The 

significant  relationship  between  larvae  and  zooplankton  abundance  here  observed  supports  this 

upward migration of H. quadrimaculatus larvae associated to feeding activity. The scarce presence of 

larvae  during  daylight  samples  justifies  the  absence  of  correlation  to  zooplankton  abundance  at 

deepest  strata,  since  larvae  probably  aggregated  close  to  the  bottom  (below  40  m  deep)  while 

zooplankton also moved to deeper strata but remained at sampled depths (above 40 m deep). 

The relation between feeding activity and vertical movements has shown to be determinant for 

larval  survival,  whereas  ontogenic  changes  throughout  larval  growth  are  important  to  decrease 

predation risk (see Fiksen et al., 2007). In this study larger larvae displayed a wider depth distribution 

and a more active migration to surface during nigh than smaller ones, probably because larger larvae 

are  more  able  to  swim  and  actively  chase  zooplankton  in  order  to  feed.  Therefore,  swimming, 

Page 67: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Vertical dynamics of the gold‐spot herring (Herklotsichthys quadrimaculatus) larvae at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

51 

feeding  activity  and  their  balance  with  predation  risk  possibly  determined  the  ontogenic  vertical 

distribution here observed. This biological pattern was also observed in other studies (Santos et al., 

2006;  Voss  et  al.,  2007),  where  larger  larvae  were  almost  absent  during  day  and  during  night 

appeared at the upper water column layers. 

Beyond vertical behaviour, water mass stratification has also implications on fish larvae horizontal 

migrations, hence  recruitment  success  (Fisken et al.,  2007). Hare and Govoni  (2005) after  studying 

the  vertical  distribution  of  fish  larvae  from  various marine  systems  (e.g.  shelf‐resident,  estuarine‐

dependent,  etc.)  where  tidal  currents  were  a  dominant  factor,  concluded  that  fish  larvae  depth 

distribution  is  closely  connected  to  larval  transport,  diel  cycles  and  water  mass  gradients  (e.g. 

turbulence, temperature and salinity). Even though vertical distribution of H. quadrimaculatus larvae 

observed at Sofala Bank showed no relation to tides, probably because its vertical movements were 

mostly determined by diel changes and not to tide variation, the deeper position of larvae during day 

is  consistent with  species  that  remained  in  the  shelf  region and avoid  to move offshore  (Hare and 

Govoni,  2005).  Possibly,  larvae  were  trying  to  maintain  this  onshore  position  since  its  high 

productivity  and  prey  availability,  remaining  near  bottom  during  day  and  displaying  night  upward 

migrations  upon  feeding  requirements.  The  knowledge  of  larvae  vertical  dynamic  is  crucial  to 

understand  larval survival and dispersion hence recruitment success and variability of small pelagic 

fish species. As regards Sofala Bank, recruitment success and variability of H. quadrimaculatus larvae 

is  thus closely  linked  to coastal hydrological processes and  to estuarine discharges, which enhance 

system productivity hence prey availability. 

In conclusion, diel vertical movements of H. quadrimaculatus larvae here observed were triggered 

by  light  variation  and  probably  related  to  feeding  requirements.  Ontogenic  changes were  also  an 

important  factor  determining  larvae  depth  regulation.  The  results  obtained  contribute  to  the 

knowledge  of  the  vertical  distribution movements  of  gold‐spot  herring  larvae,  which  is  important 

information  for  future  studies  on  larvae  dispersal  and  survival.  Besides  the  obvious  gaps  on  the 

current knowledge of  the basic ecology of  this species, such as distribution, growth,  feeding habits 

and reproduction, also the larval movements and their dependence on coastal processes should be 

investigated as base mechanisms that modulate survival and recruitment. 

Acknowledgements 

This study was a Special Study as part of the research cruise ‘Ecosystem Survey Mozambique’ of 

the  wider  program  “Strengthening  the  knowledge  base  for  and  implementing  an  ecosystem 

Page 68: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 3 

 52 

approach  to  marine  fisheries  in  developing  countries”  from  the  Nansen  Program,  an  EAF  Project 

funded  by  the Norwegian  government  through NORAD,  the  Institute  of Marine  Research  (Bergen, 

Norway)  and  the  United  Nations  through  FAO.  We  thank  IIP  (Instituto  Nacional  de  Investigação 

Pesqueira,  Mozambique)  and  its  current  director,  Dr.  D.  Gove,  to  P.  Afonso  and  E.  André  for  all 

support, and to J. Mwaluma (KMFRI, Kenya)  for his help  identifying  fish  larvae. We are grateful  for 

the productive assistance provided by the crew of R/V “Dr. Fridtjof Nansen” and the helpful support 

of J‐O. Krakstad and C. Bento, as well as other fellow scientists from IIP onboard. 

 

References 

Blaxter,  J.H.S.,  1973. Monitoring  the  vertical movements  and  light  responses  of  herring  and plaice larvae. Journal Marine Biological Assessment UK 53, 635—647. 

Coombs,  S.H., Morgans,  D.,  Halliday,  N.C.,  2001.  Seasonal  and  ontogenetic  changes  in  the  vertical distribution  of  eggs  and  larvae  of  mackerel  (Scomber  scombrus  L.)  and  horse  mackerel (Trachurus trachurus L.). Fisheries Research 50, 27—40. 

Fisken, Ø., Jørgensen, C., Kristiansen, T., Vikebø, F., Huse, G., 2007. Linking behavioural ecology and oceanography:  larval  behaviour  determines  growth, mortality  and  dispersal. Marine  Ecology Progress Series 347, 195—205. 

Gray, C.A., Kingsford, M.J., 2003. Variability in thermocline depth and strength, and the relationships with  vertical  distributions  of  fish  larvae  and  mesozooplankton  in  dynamic  coastal  waters. Marine Ecology Progress Series 247, 211—224. 

Hare,  J.A., Govoni,  J.J., 2005. Comparison of average  larval  fish vertical distributions among species exhibiting  different  transport  pathways  on  the  southeast  United  States  continental  shelf. Fisheries Bulletin 103, 728—736. 

Harris, S.A., Cyrus, D.P., 1999. Composition, abundance and seasonality of fish larvae in the mouth of Durban harbour, Kwazulu‐Natal, South Africa. South African  Journal Marine Science 21, 19—39. 

Heath, M.R., Henderson, E.W., Baird, D.L., 1988. Vertical distribution of herring larvae in relation to physical mixing and illumination. Marine Ecology Progress Series 47, 211—228. 

Heath, M., 1992. Field investigations of the early life stages of marine fish. Advances Marine Biology 28, 1—174. 

K.M.F.R.I., 1981. Aquatic Resources of Kenya. Proc. of the Workshop of Kenya Marine and Fisheries Research Institute, July 13‐19. 

Leis,  J.M., Rennis, D.S., 1983. The Larvae of  Indo‐Pacific Coral Reef Fishes: a Guide to  Identification. New South Wales University Press, Sydney. 

Leis, J.M., Carson‐Ewart, B.M., 2004. The larvae of Indo‐Pacific coastal fishes: An identification guide to marine fish larvae. Brill, The Nestherlands. 

Lewis, A.D., 1990. Tropical south Pacific tuna baitfisheries. In: Blaber, S.J.M., Copland, J.W. (Editors) Tuna baitfish in the Indo‐Pacific region. Aust. Coun. Int. agr. Res. Proc. 30, 10—21. 

Page 69: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Vertical dynamics of the gold‐spot herring (Herklotsichthys quadrimaculatus) larvae at Sofala Bank, Mozambique 

 

 

53 

Lutjeharms,  J.R.E.,  2006.  The  costal  oceans  of  south‐eastern  Africa.  In:  Robinson,  A.R.,  Brink,  K.H. (Editors) The Sea. Vol. 14. Harvard University Press, Cambridge. 

Milton,  D.A.,  Blaber,  S.J.M.,  Rawlinson,  N.J.F.,  1994.  Diet,  prey  selection  and  their  energetic relationship to reproduction in the tropical herring Herklotsichthys quadrimaculatus in Kiribati, Central Pacific. Marine Ecology Progress Series 103, 239—250. 

Olivar, M.P.,  Salat,  J.,  Palomera,  I.,  2001.  Comparative  study  of  spatial  distribution  patterns  of  the early stages of anchovy and pilchard  in the NW Mediterranean Sea. Marine Ecology Progress Series 217, 111—120. 

Olla, B.L., Davis, M.W., 1990. Effects of physical factors on the vertical distribution of  larval walleye Pollock  Theragra  chalcogramma  under  controlled  laboratory  conditions.  Marine  Ecology Progress Series 63, 105—112. 

Postel, L., Fock, H., Hagen, W., 2000. Biomass and abundance.  In: Harris, R.P., Wiebe, P.H., Lenz, J., Skjoldal, H.R., Huntley, M.  (Editors)  ICES  Zooplankton methodology manual.  Academic  Press, London. 

R  Development  Core  Team,  2008.  R:  A  language  and  environment  for  statistical  computing.  R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria. www.R‐project.org 

Reid,  D.G.,  2001.  SEFOS  –  shelf  edge  fisheries  and  oceanography  studies:  an  overview.  Fisheries Research 50, 1—15. 

Santos, A.M.P., Ré, P., Dos Santos, A., Péliz, A., 2006. Vertical distribution of  the European sardine (Sardina plichardus) larvae and its implications for their survival. Journal Plankton Research 28, 523—532. 

Stenevik, E.K., Sundby, S., Cloete, R., 2001. Influence of buoyancy and vertical distribution of sardine Sardinops sagax eggs and larvae on their transport in the Northern Benguela ecosystem. South African Journal Marine Science 23, 85—97. 

Thorrold,  S.R.,  Williams,  D.M.,  1989.  Analysis  of  Otolith  Microstructure  to  Determine  Growth Histories in Larval Cohorts of a Tropical Herring (Herklotsichthys castelanaui). Canadian Journal Fisheries Aquatic Science 46, 1615—1624. 

Voss,  R.,  Schmidt,  J.O.,  Schnack,  D.,  2007.  Vertical  distribution  of  Baltic  sprat  larvae:  changes  in patterns of diel migration?. ICES Journal Marine Science 64. 

Worthington,  E.B.,  1931.  Vertical  movements  of  freshwater  macroplankton.  Internationale  Revue Gesamten Hydrobiologie 25, 394—436. 

Yamashita,  Y.,  Kitagawa,  D.,  Aoyama,  T.,  1985.  Diel  Vertical Migration  and  Feeding  Rhythm of  the Larvae of  the  Japanese  Sand‐eel Ammodytes  personatus.  Bulletin  Japonese  Society  Scientific Fisheries 51, 1—5. 

 

Page 70: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 71: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

 

 

 

 

 

 

 

Chapter 4 

 

Page 72: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …
Page 73: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Final Considerations 

 

 

57 

Final considerations 

Planktonic  communities  are  of  great  importance  to  coastal  ecosystems  functioning  and 

generation  of  marine  resources,  and  constitute  the  coastal  and  oceanic  lower  trophic  levels. 

Furthermore,  primary  and  secondary  production  processes  occurring  at  coastal  regions  are  highly 

variable  and  strongly  determined  by  hydrological  processes.  Such  variability  occurs  at  different 

spatial and  time scales, and depending on  the analysed  frame different hydrological and biological 

patterns will be observed. 

In  the  present  study  both  spatial  and  temporal  patterns  were  observed  in  a  coastal  tropical 

ecosystem.  Respectively,  the  onshore‐offshore  gradients  and  the  time  evolution  of  the  physico‐

chemical  and  planktonic  vertical  dynamics were  investigated.  Since  this  study was  performed  at  a 

large  continental  shelf  (Sofala  Bank)  in  front  of  a  river mouth  (Zambezi  river),  tides  and  estuarine 

discharges were important factors modulating hydrological and biological variations, both at spatial 

and  temporal  frames. Despite  the  sampling period occurred during  the end of  the dry  season,  the 

estuarine discharges influence was observed at the physico‐chemical water properties, specifically in 

the  salinity  measurements.  Nutrients  availability  (specifically  nitrates  +  nitrites),  which  is  usually 

associated  to  estuarine  discharges,  was  concluded  to  be  a  major  factor  limiting  phytoplankton 

abundance  and  community  structure.  The  nutrient  ratios  obtained  (N:P  and  N:Si)  were  extremely 

low, thus supporting the hypothesis of strong nitrogen deficiency. The higher nitrogen concentration 

near  the  bottom,  ascribable  to  sediment  resuspension,  influenced  phytoplankton  vertical 

distribution, which was mainly distributed between 30 and 40 m deep.  Since most of  zooplankton 

organisms  are  herbivorous,  higher  zooplankton  densities  were  also  found  at  the  deeper  sampled 

layers and no major shallow densities during night were observed. Nevertheless, diel differences on 

zooplankton  abundances  in  different  strata  were  still  observed,  according  to  typical  diel  vertical 

migration patterns (shallower and deeper distribution during night and day, respectively). 

Phytoplankton community structure was dominated by microflagellates, since the most abundant 

pigment was 19’‐hexanoyloxyfucoxathin, a marker pigment for prymnesiophyceans. Other relatively 

abundant  pigments  were  fucoxanthin  and  19’‐butanoyloxyfucoxanthin,  both  existent  in 

prymnesiophycean  and  also  in  other  algae  groups.  The  phytoplankton  community  dominance  by 

microflagellates  is  typical  from  oligotrophic  regions,  whereas  eutrophic  nutrient  rich  region  are 

usually  dominated  by  microplankton,  specifically  diatoms  and  dinoflagellates.  This  approach  was 

Page 74: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …

Chapter 4 

 58 

given  by  the  calculated  Fp  pigment  index,  which  was  very  low  and  similar  to  other  oligotrophic 

marine  regions.  This  trophic  status  evaluation,  from  phytoplankton  pigments  composition,  thus 

confirmed the nutrient approach. 

As regards to Herklotsichthys quadrimaculatus  larvae vertical dynamics, results obtained were in 

accordance  to  previous  clupeid  larvae  studies.  Larvae  displayed  diel  vertical  migrations,  occurring 

near  the  surface  during  night  samples  and  migrating  towards  the  bottom  during  daylight.  The 

association  of  this  pattern  to  light  penetration  and  zooplankton  total  abundance  evidenced  an 

upward migration in order to feed upon zooplankton, and downward migration to reduce mortality, 

ascribed to avoidance of predation from visual predators. However, changes on vertical distribution 

movements were observed when considering larval ontogeny. Results point towards a dominance of 

the  neuston  layer  by  larger  larvae  and  a  vertical  displacement  for  smaller  larvae  with  increasing 

depths,  mainly  during  nigh  samples.  During  daylight,  almost  no  larvae  were  collected  at  sampled 

strata (between 0 and 40 m), which suggested that larvae were aggregated near the bottom, where 

light  penetration  was  very  scarce,  thereby  greatly  reducing  predation  risk  and  increasing  survival 

rates. 

The work here developed was important to improve the scientific knowledge regarding the Sofala 

Bank,  concerning  hydrological  and  planktonic  communities  variations. Moreover,  it  was  crucial  to 

understand  the  strong  relationship  between  the  base  hydrological  processes  and  the  primary  and 

secondary  production,  and  also  that  ecological  studies,  specifically  the  ones  aimed  to  coastal 

ecosystems  and  plankton,  should  have  a  community  and  ecosystem  based  approach  in  order  to 

broadly understand their functioning and variation patterns. Only with such base knowledge,  it will 

be  possible  correctly  develop  management  tools  to  sustainably  explore  the  marine  resources, 

promoting the ecosystem integrity and biodiversity. 

 

Page 75: UNIVERSIDADE DE LISBOA FACULDADE DE CIÊNCIAS …