Ecosystems are capital assets: When properly managed, they yield a flow of vital goods and services. Relative to other forms of capital, however, ecosystems are poorly understood, scarcely monitored, and--in many important cases--undergoing rapid degradation. The process of economic valuation could greatly improve stewardship. This potential is now being realized with innovative financial instruments and institutional arrangements.

The rapid development of intensive fed aquaculture (e.g. finfish and shrimp) throughout the world is associated with concerns about the environmental impacts of such often monospecific practices, especially where activities are highly geographically concentrated or located in suboptimal sites whose assimilative capacity is poorly understood and, consequently, prone to being exceeded. One of the main environmental issues is the direct discharge of significant nutrient loads into coastal waters from open‐water systems and with the effluents from land‐based systems. In its search for best management practices, the aquaculture industry should develop innovative and responsible practices that optimize its efficiency and create diversification, while ensuring the remediation of the consequences of its activities to maintain the health of coastal waters. To avoid pronounced shifts in coastal processes, conversion, not dilution, is a common‐sense solution, used for centuries in Asian countries. By integrating fed aquaculture (finfish, shrimp) with inorganic and organic extractive aquaculture (seaweed and shellfish), the wastes of one resource user become a resource (fertilizer or food) for the others. Such a balanced ecosystem approach provides nutrient bioremediation capability, mutual benefits to the cocultured organisms, economic diversification by producing other value‐added marine crops, and increased profitability per cultivation unit for the aquaculture industry. Moreover, as guidelines and regulations on aquaculture effluents are forthcoming in several countries, using appropriately selected seaweeds as renewable biological nutrient scrubbers represents a cost‐effective means for reaching compliance by reducing the internalization of the total environmental costs. By adopting integrated polytrophic practices, the aquaculture industry should find increasing environmental, economic, and social acceptability and become a full and sustainable partner within the development of integrated coastal management frameworks.

Abstract Systems linking people and nature, known as social-ecological systems, are increasingly understood as complex adaptive systems. Essential features of these complex adaptive systems – such as nonlinear feedbacks, strategic interactions, individual and spatial heterogeneity, and varying time scales – pose substantial challenges for modeling. However, ignoring these characteristics can distort our picture of how these systems work, causing policies to be less effective or even counterproductive. In this paper we present recent developments in modeling social-ecological systems, illustrate some of these challenges with examples related to coral reefs and grasslands, and identify the implications for economic and policy analysis.

Policies may influence large-scale behavioral tipping

Aquaculture is the fastest growing food sector and continues to expand alongside terrestrial crop and livestock production. Using portfolio theory as a conceptual framework, we explore how current interconnections between the aquaculture, crop, livestock, and fisheries sectors act as an impediment to, or an opportunity for, enhanced resilience in the global food system given increased resource scarcity and climate change. Aquaculture can potentially enhance resilience through improved resource use efficiencies and increased diversification of farmed species, locales of production, and feeding strategies. However, aquaculture's reliance on terrestrial crops and wild fish for feeds, its dependence on freshwater and land for culture sites, and its broad array of environmental impacts diminishes its ability to add resilience. Feeds for livestock and farmed fish that are fed rely largely on the same crops, although the fraction destined for aquaculture is presently small (∼4%). As demand for high-value fed aquaculture products grows, competition for these crops will also rise, as will the demand for wild fish as feed inputs. Many of these crops and forage fish are also consumed directly by humans and provide essential nutrition for low-income households. Their rising use in aquafeeds has the potential to increase price levels and volatility, worsening food insecurity among the most vulnerable populations. Although the diversification of global food production systems that includes aquaculture offers promise for enhanced resilience, such promise will not be realized if government policies fail to provide adequate incentives for resource efficiency, equity, and environmental protection.

Reducing negative environmental impacts from aquaculture activities is a key issue for ensuring long-term sustainability of the industry. This study examines the major findings and methodology aspects from 28 peer-reviewed studies on marine aquaculture systems integrating fed and extractive organisms. All studies include seaweeds as extractive organisms. The main objective was to analyse the degree of relevance these findings have for large-scale implementation of integrated mariculture practices, and to identify necessary research areas for a future research agenda. The following directions for future research were identified: (1) understand in detail the important biological/biochemical processes in closed recirculating and open seaweed culture systems; (2) conduct research into these advanced aquaculture technologies at scales relevant to commercial implementation or suitable for extrapolation; (3) broaden the focus to include factors affecting seaweed growth and uptake capacity; (4) improve experimental design for statistical calculations; (5) attain a detailed understanding of the temporal variability in seaweed-filtered mariculture systems; (6) define numerical design parameters critical for engineers in designing commercial recirculation systems with seaweed filters; (7) study the influences of location-specific parameters, such as latitude, climate and local seaweed strains/species, on seaweed filter performance; (8) include economic components, considering the added value of seaweeds, and feasibility aspects; (9) analyse the role and function of integrated aquaculture practices for improved environmental, economic, and social acceptability within the broader perspective of integrated coastal management initiatives; and (10) develop educational, training and financial incentive approaches to transfer these novel and somewhat complex technologies of integrated mariculture from the scientists to the industry.

Summary The use of antibiotics in aquaculture may cause development of antibiotic resistance among pathogens infecting cultured animals and humans. However, this is a recent issue and has not yet been thoroughly investigated. Furthermore, there is limited knowledge about the environmental effects of antibiotic use in aquaculture. It is well known that antibiotics are commonly used in shrimp farming to prevent or treat disease outbreaks, but there is little published documentation on details of usage patterns. This study, conducted in 2000, shows that a large proportion of shrimp farmers along the Thai coast used antibiotics in their farms. Of the seventy‐six farmers interviewed, 74% used antibiotics in shrimp pond management. Most farmers used them prophylactically, some on a daily basis, and at least thirteen different antibiotics were used. Many farmers were not well informed about efficient and safe application practices. A more restrictive use of antibiotics could have positive effects for the individual farmer and, simultaneously, decrease impacts on regional human medicine and adjacent coastal ecosystems. It is likely that dissemination of information could contribute to a decreased use of antibiotics, without decreasing the level of shrimp production.

Although many fisheries stocks have declined precipitously throughout the world, fish farming--and especially shrimp and salmon farming--has boomed. The increasingly large scale of these enterprises is now having unforeseen ecological consequences on ocean resources through habitat destruction, effluent discharge, exotic species introductions, and heightened fish catch for feed use. Ending unsustainable production practices will require reorienting regulatory policies and fiscal incentives in shrimp- and salmon-producing counties, and enhancing restrictions on environmentally unsound practices.

Invasion by mats of free-floating plants is among the most important threats to the functioning and biodiversity of freshwater ecosystems ranging from temperate ponds and ditches to tropical lakes. Dark, anoxic conditions under thick floating-plant cover leave little opportunity for animal or plant life, and they can have large negative impacts on fisheries and navigation in tropical lakes. Here, we demonstrate that floating-plant dominance can be a self-stabilizing ecosystem state, which may explain its notorious persistence in many situations. Our results, based on experiments, field data, and models, represent evidence for alternative domains of attraction in ecosystems. An implication of our findings is that nutrient enrichment reduces the resilience of freshwater systems against a shift to floating-plant dominance. On the other hand, our results also suggest that a single drastic harvest of floating plants can induce a permanent shift to an alternative state dominated by rooted, submerged growth forms.

Navigating global changes requires a coevolving set of collaborative, global institutions.