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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-58806
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2012/5880/


Long-term population dynamics of key copepods under climate and food web changes : The Baltic Sea as a case study

Langzeitliche Populationsdynamiken wichtiger Copepodenarten unter Klima- und Nahrungsnetzveränderungen : Die Ostsee als Fallstudie

Otto, Saskia A.

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SWD-Schlagwörter: Zooplankton , Ruderfußkrebse , Zentrale Ostsee , Langfristige Analyse , Populationsdynamik
Freie Schlagwörter (Deutsch): Statistische Modellierung , Generalisierte Additive Modelle
Freie Schlagwörter (Englisch): zooplankton , copepods , Baltic Sea , population dynamics , long-term dynamics , statistical modelling , GAM
Basisklassifikation: 42.94 , 42.74
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Möllmann, Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 03.08.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 26.10.2012
Kurzfassung auf Deutsch: Eines der drängendsten und wichtigsten Probleme weltweit ist die Sicherstellung mariner Ressourcen. Für ein ganzheitliches, Ökosystem-basiertes Management stellt eine wichtige Grundlage die genaue Kenntnis der Schlüsselarten des Ökosystems. Diese Arten können Aufschluss geben über kausale Prozesse wie auch über Interaktionen mit der Umwelt. Obwohl Zooplankton im Energiefluss des Nahrungsnetzes eine vermittelnde Rolle innnehat, bei den weltweit beobachteten Strukturveränderungen mariner Gemeinschaften stark beteiligt und gut geeignet ist, Klimaveränderungen und -effekte zu identifizieren, wurde das Zooplankton als Indikator im Management mariner Systeme bisher wenig genutzt. Auch innerhalb der Zooplanktonökologie sind komplexere Zeitserien-Analysen eher die Ausnahme. Die vorliegende Studie versucht daher die Langzeitdynamiken der Haupt-Copepodenarten in der zentralen Ostsee auf Basis verschiedener theoretischer Konzepte der Populationsökologie zu untersuchen.
Zum einen wurde die langzeitliche Entwicklung der 3 dominanten Arten Acartia spp., Temora longicornis, and Pseudocalanus acuspes in den 3 Becken der zentralen Ostsee im Rahmen ihrer Umweltnischen und der Habitateigenschaften untersucht. Die Ostsee weist starke vertikale und horizontale Temperatur- und Salzgradienten auf; vorkommende Arten werden daher größere Unterschiede in ihrer physiologischen Anpassung (sog. fundamentale Nische) wie auch in ihren Interaktionen zu anderen Arten aufweisen. Der saisonale und räumliche Vergleich der Langzeittrends zeigt, dass Klimaeffekte stark von der Arten-spezifischen Habitatausnutzung abhängen. Direkte Effekte waren am stärksten in den oberen Wassertiefen zu beobachten, wobei hier die potenzielle thermale Nische von Acartia spp. und T. longicornis weiter in den Bereich der fundamantalen Nische gerückt wurde. Acartia spp. wies auch signifikante Unterschiede in ihrer räumlichen Verteilung auf, welche durch mehrere indirekte Klimaeffekte vermutlich hervorgerufen wurden. Ein weiterer Faktor war Fraßdruck, der sich allerdings auf die realisierte Nische auswirkte und diese verkleinerte; insbesondere bei P. acupses, welches die größte räumliche Überschneidung mit den Prädatoren aufweist.
Nachdem die Hauptfaktoren der langzeitlichen Populationsdynamik von P. acuspes identifiziert waren, wurden ihr Einfluss auf die jahreszeitlichen Abundanzen einzelner Lebensstadien in Kombination mit internen Dichteffekten untersucht. Im Rahmen eines diskreten, Stadien-strukturierten Populationsmodell-Ansatzes wurden Generalized Additive Models und sog. threshold-GAMs angewendet um den Wechsel zwischen einer trophischen "bottom-up" und "top-down" Regulierung unter gegensätzlichen Prädations-Regimes zu untersuchen. Der integrative Ansatz weist auf ein komplexes Zusammenspiel linearer Dichte- und Prädationseffekte mit nicht-linearen, stadien-spezifischen Effekten des Hydro-Klimas hin. Während jüngeren Stadien (Nauplien, Copepodite I-III) mehr vom Klimaindex und der Temperatur beeinflusst sind, sind die älteren Stadien (Copepodite IV-V, Weibchen), mit Ausnahme vom Winter, stärker Salz-abhängig sind. Prädation hatte das gesamte Jahr über einen starken, negativen Effekt auf die älteren Stadien und kontrollierte "bottom-up"-Effekte (Salinität und Dichteeffekte) vor allem im Sommer und Herbst. Anhand der Analyseergebnisse lassen sich die stadien-übergreifend hohen Abundanzen in den 70er und 80er Jahren als Resultat multiplikativer Effekte durch verschiedene biotische und abiotische Bedingungen verstehen.
Basierend auf den empirisch ermittelten Beziehungen wurde ein Lebenszyklus Modell entwickelt um vergangene und zukünftige Langzeit-Dynamiken unter verschiedenen Umweltbedingungen zu simulieren. Anhand dieser Simulationsergebnisse lassen sich die Weibchen im Frühjahr und die Copepodite IV-V im Winter als besonders empfindlich hinsichtlich direkter und indirekter Salz- und Prädationseffekte einstufen. Die möglichen Zukunftsentwicklungen für P. acuspes wurden untersucht indem stochastische Projektionen der Populationsdynamiken unter einem Klima und mehreren Fischerei-Management / Eutrophierungs Szenarien vorgenommen wurden. Die Ergebnisse zeigen hier deutlich, dass unter einer potenziellen Klima-induzierten Aussüßung der Ostsee der Salzgehalt eine stärkere kontrollierende Wirkung auf P. acuspes haben könnte, unabhängig vom Fraßdruck. Der projezierte Salzgehaltabfall führt in allen Szenarien zu einem Zusammenfall des Gesamtbestandes. Die Modellergebnisse zeigen zusätzlich auf, dass Dichteabhängigkeiten eine Rolle spielen, nicht jedoch den Kollaps kompensieren können.
Kurzfassung auf Englisch: Marine ecosystems provide various kinds of services for human societies, which have to be soundly protected and managed in light of climate fluctuations and changes and increasing human pressure. Profound knowledge of key ecosystem species serves as a basis in ecosystem based management and the advantage of providing detailed information on causal processes and species-environment relationships. Despite the mediating role of zooplankton in trophodynamics, their strong contribution to large-scale community shifts globally observed, and their suitability to identify climate changes and effects, zooplankton is still underappreciated as an indicator for the management of marine ecosystems. In addition, complex time series analysis of single-species dynamics including demographic processes, biotic and abiotic drivers and various types of functional relationships are relatively sparse in zooplankton ecology. The present thesis was therefore designed to study the copepod long-term dynamics the Central Baltic Sea (CBS) using different theoretical perspectives.
The long-term developments of the three major copepods Acartia spp., Temora longicornis, and Pseudocalanus acuspes in the CBS were assessed within the context of the habitat characteristics and their environmental niches. The CBS features a strong vertical and horizontal gradient in temperature and salinity; species are therefore likely to differ stronger in their physiological adaptations (i.e. their fundamental niches) as well as species interactions, which may have implications on the long-term community structure. The comparison of the long-term trends of the three study species and their main drivers, both seasonally and spatially, indicated that effects of climate depended strongly on species-specific habitat utilization. Direct effects of climate changes were more pronounced at the upper water layers, shifting the potential thermal niche of Acartia spp. and T. longicornis further into the optimal part of their fundamental niche. Acartia spp. displayed furthermore significant differences in their spatial distribution, which is probably caused by multiple indirect climate effects. Predation was additionally important as it reduced the size of the realized niche, particularly of P. acuspes experiencing the largest vertical overlap with predators.
After the main drivers of the long-term overall population dynamics were identified their contribution to the seasonal life stage abundances of P. acuspes in combination with internal density effects were further assessed to improve the understanding of the life cycle dynamics of P. acuspes. Within a discrete stage-structured population modelling approach, Generalized Additive Models and their threshold formulation were applied to test for changes between bottom-up and top-down trophic regulation under contrasting predation regimes. The integrative analysis revealed a complex interplay of linear density and predation effects and non-linear hydro-climate effects, the latter being stage- and season-specific. In general, younger stages (nauplii, copepodite I-III) were more affected by temperature and the BSI, while older stages (copepodite IV-V, females) were influenced by salinity, except in winter. Predation had a significant, negative effect on older stages throughout the year and controlled the bottom-up effects (i.e. density and salinity) mainly in summer and autumn on the copepodites IV-V. Based on the findings of this analysis, the major peak in abundances observed for all stages across the seasons in the 1970s/1980s can be better understood as our results suggests a multiplicative effect of various biotic and abiotic conditions.
Based on the empirically derived relationships a single life cycle model was developed to simulate past long-term dynamics by retrospectively changing environmental conditions and project future dynamics under different environmental scenarios. Results from the simulation indicate that copepodite IV-V in winter and females in spring are the most sensitive stages to direct and indirect effects of salinity and predation. The potential futures of P. acuspes were investigated by conducting stochastic projections of the population´s response to one climate and a number of fisheries management and eutrophication scenarios. The results show that under a potential climate-induced freshening of the Baltic Sea, salinity may more strongly control the biomass of P. acuspes independently of the predation level. The projected salinity drop to levels historically unreported caused a collapse of P. acuspes population size in all scenarios. The model output further indicates that density-dependence plays a role but cannot compensate for this collapse.

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