The monitoring of the spatiotemporal distribution and movement of brown shrimp (Crangon crangon L.) using commercial and scientific research data

Abstract

Brown shrimp (Crangon crangon L.) support a commercially important fishery mainly operating in Natura 2000 sites of the Wadden Sea. Despite the sensitive location of the fishing grounds and the large size of the fleet, the European brown shrimp fishery is currently unmanaged. However, recently a management strategy has been discussed for the brown shrimp stock as well as for the nature protected core fishing grounds, the Wadden Sea. Management considerations require reliable stock estimates and knowledge about the distribution of the brown shrimp stock. Hence, the present study identifies factors affecting catch rates and the composition in the catches and quantifies the portion of the brown shrimp stock located pelagically and thus unreachable for the beam trawl. Using commercial fisheries’ data, this thesis establishes a comprehensive picture of the spatiotemporal patterns in the distribution of the brown shrimp stock, which has been unavailable so far. In manuscript 1 three different German survey data sets were analysed, covering the years 1997 – 2010. The surveys included data from autumn and winter beam trawl surveys as well as data from a vertically resolving stow net. Results show that survey data need to be standardized according to season, depth, tidal state, daylight, reproductive state and size of the shrimps in order to obtain reliable biomass estimates. Further, the results indicate that more than 70% of the brown shrimp are expected to be in pelagic layers of the water column, and thus unreachable for the beam trawl. Hence, this finding suggests that stock estimates based on beam trawl data only, strongly underestimate the brown shrimp density and clearly challenges the assumption of brown shrimp living primarily benthically. Manuscript 2 deals with methodical aspects of using commercial brown shrimp data for spatial estimations of effort and catch. In this manuscript, raw pings, the straight line interpolation, cubic Hermite splines, ellipses and the amplification method were applied on different resolutions within the range of 0.005°x0.005° to 1°x1° (latitude/longitude). Subsequently, a comparison of the methods at different resolutions was performed, contrasting the distribution and spatial extent of the estimated areas fished. Likewise, total effort and catch estimates were compared, which were allocated to differently sized case study areas, located within the German brown shrimp fishing grounds. The methods differed greatly according to all aspects. For the German brown shrimp fleet it was found that straight line or a spline interpolation enable the usage of the fine resolutions of ≥0.01°x0.01°. This procedure is a good compromise to minimise the underestimation of the fished area and to remove a maximum of the uncertainty about the vessels’ track. Preconditioned on two-hourly transmitted fishing positions, this approach leads to best possible spatial estimates for the German brown shrimp fleet. This is of particular relevance for estimations according to future natural conservation measures for specific sites and habitats. In manuscript 3 the findings of manuscript 2 were applied to all commercial brown shrimp data available from 2007 - 2013 in order to obtain a comprehensive picture of the spatiotemporal distribution of the brown shrimp stock. To attain a proxy for brown shrimp densities, the calculated landings per unit effort (LPUE) were, in manuscript 3, standardised to the level of a mean vessel. Previously unavailable maps of the spatiotemporal distribution of brown shrimp of two different size groups (ca. 50 - 73 mm and >73 mm total length) are provided in this manuscript. The maps provide a quantitative basis for considerations concerning spatial management measures. The assumed migration patterns of an onshore migration in spring and an offshore migration in winter are largely confirmed. Nevertheless, considerable and unexpected regional differences were found, suggesting that a seaward migration of berried females in winter was most pronounced in Dutch and western German waters but was not present in Danish waters. On an overall basis, this thesis indicates a strong need for the standardisation of brown shrimp catch rates, both in the survey and in the commercial data. Using not only scientific research data but also standardised commercial data for biological research is an important step towards a comprehensive picture of the spatial and temporal situation of the brown shrimp stock. The usage of standardised commercial data is an essential need to clarify the effects of potential future management options, either for brown shrimp stock management or for spatial management of Natura 2000 sites.

Krabben (Crangon crangon L.) bilden die Basis für eine kommerziell wichtige Fischerei, die hauptsächlich im Wattenmeer, welches als Natura 2000 Gebiet ausgewiesenen ist, stattfindet. Trotz der sensiblen Fischgründe und der großen Flotte unterliegt die europäische Krabbenfischerei aktuell keinem Management. Aber ein Management wird sowohl für den Krabbenbestand selbst als auch für das Wattenmeer angestrebt. Für ein Management sind sowohl valide Bestandsabschätzungen als auch Wissen über Verteilung des Krabbenbestands nötig. Diese Arbeit identifiziert Faktoren, die die Fangmengen und die Zusammensetzung der Fänge beeinflussen und quantifiziert den pelagischen Anteil der Krabben, welcher für die Baumkurre unerreichbar ist. Durch die Nutzung kommerzieller Fischereidaten wird in dieser Arbeit erstmalig ein flächendeckendes Bild der räumlich zeitlichen Muster der Verteilung des Krabbenbestands erstellt. In Manuskript 1 werden Daten dreier verschiedener Forschungsreisen ausgewertet, die zwischen 1997 und 2010 erhoben wurden. Dazu gehörten jährliche Daten einer Herbst- sowie einer Winterreise, die mit einer Baumkurre erhoben wurden und Daten eines gestaffelten Vertikalhamen. Die Ergebnisse zeigen, dass Surveydaten bezüglich Jahreszeit, Tiefe, Gezeitenstand, Tageslicht, Reproduktionsstatus und Größe der Krabben standardisiert werden müssen, um verlässliche Biomasseabschätzungen zu bekommen. Da ein Anteil von mehr als 70 % der vorhandenen Krabben in pelagischen Wasserschichten zu erwarten ist, unterschätzen ausschließlich auf Baumkurrenfängen basierende Biomasseabschätzungen die Krabbendichte pro Fläche stark. Dieses Ergebnis tritt der Annahme entgegen, dass Krabben hauptsächlich benthisch leben. Manuskript 2 befasst sich mit methodischen Aspekten, wenn kommerzielle Fischereidaten für räumliche Abschätzungen von Aufwand und Fangmenge genutzt werden. In diesem Manuskript wurden rohe Pings, lineare Interpolation, kubische hermitesche Splines, Ellipsen und die Amplifikationsmethode auf unterschiedlichen Auflösungen zwischen 0.005° x0.005° und 1°x1° (lat. /lon.) in fünf unterschiedlich großen Fallstudiengebieten im Wattenmeer angewendet. Anschließend wurden die Methoden bezüglich der geschätzten Verteilung und Ausdehnung der befischten Fläche, sowie die Aufwands- und Fangmengenabschätzungen verglichen. Bezüglich aller Kriterien zeigten sich große Unterschiede in den Abschätzungen der verschiedenen Methoden. Um die Unterschätzung der befischten Fläche zu minimieren und ein Maximum der Unsicherheit in der Abschätzung der vom Kutter zurückgelegten Route zu beseitigen ist es für die deutsche Krabbenfischereiflotte ein guter Kompromiss die lineare Interpolation oder Splines bei einer feinen Auflösung von ≥0.01°x0.01° zu nutzen. Bei zweistündigen Pings erhält man auf diese Weise bestmögliche Schätzungen. Das ist relevant, wenn Abschätzungen für zukünftige Naturschutzmaßnahmen für bestimmte Gebiete und Habitate benötigt werden. In Manuskript 3 werden die Ergebnisse von Manuskript 2 auf alle kommerziellen Krabbenfischereidaten von 2007 bis 2013 angewendet, um ein flächendeckendes Bild der zeitlich-räumlichen Verteilung des Krabbenbestandes zu bekommen. Um eine Proxy-Variable für die Dichte der Krabben zu bekommen, wurden die Anlandungen pro Zeiteinheit (LPUE) auf das Niveau eines mittleren Kutters standardisiert. In diesem Manuskript werden bisher nicht verfügbare Karten der räumlich-zeitlichen Verteilung von Krabben zweier verschiedener Größenklassen gezeigt. Die Karten schaffen eine quantitative Basis für Überlegungen, die räumliche Managementmaßnahmen betreffen. Das vermutete Wanderungsverhalten der Krabben, mit einer Wanderung in Richtung Küste im Frühjahr und einer Abwanderung in seewärts gelegene Gebiete im Winter wurde weitgehend bestätigt. Dennoch wurden auch beträchtliche und unerwartete regionale Unterschiede in diesem Muster gefunden, die darauf schließen lassen, dass sich die beschriebene seewärts gerichtete Migration der eitragenden Weibchen im Winter vor allem in niederländischen und den westlichen deutschen Gewässern zeigt, aber vor der dänischen Küste nicht vorhanden ist. Insgesamt zeigt diese Arbeit deutlich, dass die erzielten Fangmengen der wissenschaftlich wie auch der kommerziell erhobenen Daten standardisiert werden müssen. Die nicht mehr ausschließliche Nutzung wissenschaftlicher Forschungsdaten sondern auch die zusätzliche Verarbeitung der Daten der kommerziellen Fischerei für biologische Forschung ist ein wichtiger Schritt, um ein umfassendes Bild der räumlichen und zeitlichen Verteilung des Krabbenbestands zu bekommen. Die Verwendung standardisierter kommerzieller Fischereidaten ist essentiell um die Auswirkungen potentieller zukünftige Managementoptionen zu verdeutlichen, sei es für das Management des Krabbenbestandes oder für das Management der Natura 2000 Gebiete.