Harbour porpoise behaviour near bottom set nets and acoustic bycatch mitigation devices

Abstract

Bycatch in set net fisheries is considered the biggest threat to small cetacean populations worldwide. In the western Baltic Sea or Belt Sea, concerns around elevated bycatch rates of harbour porpoises (Phocoena phocoena) have already been raised in the 1980s and are nowadays considered above sustainable threshold levels. One of the primary bycatch mitigation tools employed in gillnet fisheries are acoustic deterrent devices (ADD, so-called pingers), that emit artificial sounds with the aim to keep animals away from fishing gear, and which have proven to significantly reduce harbour porpoise bycatch in set net fisheries worldwide. However, concerns about habitat exclusion of harbour porpoises have been raised around them. To address these concerns, the PAL (Porpoise ALert), an alternative acoustic alerting device that emits synthetic harbour porpoise signals from the Belt Sea population was developed. PAL is currently being implemented in a part of the German fishery in the Belt Sea on a voluntary basis after it showed to be effective in reducing harbour porpoise bycatch in gillnet fisheries. However, even with pingers and PAL, bycatch events persist in the fishery. In fact, despite decades of research going into bycatch mitigation, the mechanisms behind bycatch events in gillnets and in the vicinity of mitigation devices remain poorly understood, particularly regarding animal behaviour, as direct observations are methodologically and logistically challenging. The aim of this thesis was to advance knowledge on harbour porpoise behaviour near bottom set nets and near the alerting device PAL in the Belt Sea, as well as looking at whether porpoises habituate to the PAL signal. It further assessed two land-based methods to observe harbour porpoises providing guidance for method selection for future research, thus addressing issues related to the methodological and logistical challenges when studying bycatch of porpoises.

Harbour porpoises are particularly challenging to observe due to their small size and inconspicuous behaviour. To better understand their behaviour, efficient observation tools are required. The theodolite and the drone are two land-based observation methods commonly employed to observe small cetaceans with near shore distribution. In a first step of this thesis, advantages and disadvantages of booth tools where analyzed while studying the harbour porpoise. For this aim, data on their location, behaviour and group sizes of porpoises was collected and compared between methods during a field experiment in Fyns Hoved (Denmark). The theodolite proved to be more adept at rapidly collecting data on the general distribution of porpoises in an area and excelled at gathering data at greater distances. The accuracy of obtained positional data of porpoises at the surface was similar with both methods, but drones revealed a clear advantage in behavioural observations, as they allow recording the animals even under the water surface. Group sizes were also determined more precisely using drones (Chapter 3).

Based on these findings, drones were used to study in more detail the behaviour of porpoises near a bottom set net structure with and without PAL during a targeted experiment in Fyns Hoved (Denmark). These trials were designed to enhance our understanding on underlying behavioural mechanisms leading to entanglement in set bottom nets as well as behavioural reactions of porpoises towards a net equipped with PAL. For this, wild harbour porpoises were recorded with drones and acoustic underwater recorders near a bottom set net structure during an in situ experiment in the Danish Belt Sea and different aspects of their behaviour studied: swimming speed, respiration rates, reaction types towards the net and the PAL and apparent reaction distances. Porpoises demonstrated limited behavioral responses when navigating the net, with the most common reaction being swimming over the float line without any apparent reaction, both in the presence and absence of PAL. Porpoises exhibited a consistent pattern of swimming speed, increasing the speed in direct vicinity of the net and slowing down after interacting with the net. This pattern was observed both when only the net was present as well as when the PAL was attached. The echolocation behaviour of the porpoises showed some significant differences when the PAL was present with minimum inter click interval and click train duration being lower after porpoises crossed the net. In general, during the trials all porpoises navigated the nets efficiently which might suggest that bycatch events could be related to distractions and accidents rather than pure net detection failure (Chapter 4).

To further investigate whether porpoises in Germany might have habituated to the PAL signal since its first implementation in 2017, a long-term experiment was set up in collaboration with some fishers in Germany and Denmark to record the porpoises’ echolocation behaviour near nets with PAL. For this aim, two areas inhabited by animals from the Belt Sea population were selected as the PAL signal is a synthetic porpoise sound from this population and has this far only been successfully tested in this area. As PAL is not employed in the fishery in Denmark, the experiment was conducted under the assumption that porpoises in Denmark are more naïve to the PAL signal, thus considering Denmark as a not-exposed area. To test whether porpoises habituated to PAL in Germany, the echolocation of porpoises on reference stations without PAL and near PAL-equipped nets was compared within Germany and Denmark and between the countries. Four parameters that describe the porpoises’ click trains were selected for this aim and investigated using traditional statistics as well as machine learning models: number of clicks within a click train, the median frequency, the average sound and the minimum inter click interval of a click train. The median values for all four acoustic parameters were very similar, both between the reference stations of both countries and between reference stations and PAL-equipped nets within countries. Based on the four selected click train parameters, habituation of German porpoises towards the PAL was not detected (Chapter 5).

The new findings generated in this thesis address several knowledge gaps associated to the study of harbour porpoises and their interaction with bottom set nets and the PAL in the Belt Sea. The evaluation of the two land-based observation methods gives evidence-based guidance for researchers to choose a suitable method in accordance with their research question and sets a base to maintain comparability among different studies that employed theodolites or drones for similar aims. It further revealed that drones are more suitable to study the behaviour of porpoises as they allow recording the animals even under the water surface. This advantage was further highlighted when studying the behaviour of porpoises interacting with a bottom set net structure in the wild for the first time. The interactions revealed that porpoises are able to navigate nets without getting entangled in them and that they do not exhibit a strong reaction either in behaviour, echolocation or swimming speeds when interacting with nets and the PAL. However, despite their ability to avoid nets during the trials, bycatch persists in actual fisheries which might be attributed to distraction or inexperience rather than a lack of net detectability. It is thus recommended that alerting strategies should be combined with materials enhancing the acoustic detectability of nets to further reduce the bycatch risk. Based on previously available information of the PAL and new findings from this dissertation, the PAL seems to be a good alternative to traditional pingers for the Belt Sea, as PAL do not exclude porpoises from their habitat, and signs of habituation to the signal were not detected in the four analyzed click train parameters. Besides these promising findings, they do not yield information on whether PAL still contributes sufficiently to bycatch reduction in the German fishery. To address this question, it is suggested that a long-term bycatch monitoring scheme be implemented to ascertain whether the proven bycatch reduction effect of the PAL persists over time, given the complexity of the real fishery in the Belt Sea. This is especially relevant in light of the limited information available on German harbour porpoise bycatch rates and the fact that current estimated bycatch levels for the Belt Sea exceed sustainable bycatch thresholds.

Der Beifang in der Stellnetzfischerei gilt als die größte Bedrohung für Kleinwalpopulationen weltweit, darunter auch für den in der Ostsee heimischen Schweinswal (Phocoena phocoena). In der westlichen Ostsee oder Beltsee wurde bereits in den 1980er Jahren auf die hohen Beifangraten von Schweinswalen aufmerksam gemacht und auch heutzutage liegen die Beifangraten hier über den als nachhaltig angesehenen Schwellenwerten. Eines der verbreitetsten Instrumente zur Vermeidung des Beifangs von Kleinwalen in der Stellnetzfischerei sind akustische Abschreckvorrichtungen (acoustic deterrent devices - ADDs, sogenannte Pinger), die künstliche Töne aussenden, um die Tiere von den Fanggeräten fernzuhalten und deren Beifang somit weltweit nachweislich erheblich reduzieren. Dennoch liegen Bedenken hinsichtlich der Vertreibung von Schweinswalen aus ihren Lebensräumen vor. Um der großräumigen Vertreibung von Schweinswalen entgegenzuwirken, wurde der sogenannte PAL (Porpoise ALert) entwickelt. Der PAL ist ein alternatives akustisches Warngerät, das nachgeahmte Laute von Schweinswalen der Beltsee-Population aussendet. PAL hat sich als wirksam bei der Verringerung des Schweinswalbeifangs erwiesen und wird seit 2017 auf freiwilliger Basis von einem Teil der deutschen Fischerei in der Beltsee eingesetzt. Dennoch kommt es trotz Pinger- und PAL-Einsatz weiterhin zu Beifängen von Schweinswalen in der Stellnetzfischerei. Auch nach jahrzehntelanger Forschung im Bereich der Beifangreduzierung sind die zugrundeliegenden Mechanismen hinter den Beifangereignissen in Stellnetzen sowie in der Nähe von technischen Maßnahmen zur Beifangreduzierung nach wie vor nur unzureichend bekannt. Dies betrifft insbesondere das Verhalten der Tiere, da direkte Beobachtungen methodisch und logistisch schwierig sind. Ziel dieser Arbeit war es, das Wissen über das Verhalten von Schweinswalen in der Nähe von Stellnetzen und dem Warngerät PAL in der Beltsee zu erweitern und zu untersuchen, ob sich Schweinswale an das PAL-Signal gewöhnen. Darüber hinaus wurden zwei landgestützte Methoden zur Beobachtung von Schweinswalen bewertet. Die Ergebnisse dieser Bewertung, einschließlich der Betrachtung von logistischen Herausforderungen, stellen eine Orientierungshilfe für die Auswahl von Methoden in künftigen Forschungsarbeiten dar, deren Ziel die Untersuchung des Beifangs von Schweinswalen und seiner Ursachen ist.

Schweinswale sind aufgrund ihrer geringen Größe und ihres unauffälligen Verhaltens besonders schwierig zu beobachten. Um ihr Verhalten besser zu verstehen, sind effiziente Beobachtungsinstrumente erforderlich. Der Theodolit und die Drohne sind zwei Beobachtungsmethoden, die häufig zur Beobachtung von Kleinwalen in Küstennähe eingesetzt werden. In einem ersten Schritt dieser Arbeit wurden die Vor- und Nachteile der beiden Beobachtungsinstrumente für die Untersuchung des Schweinswals analysiert. Zu diesem Zweck wurden während eines Feldexperiments in der dänischen Beltsee bei Fyns Hoved (Dänemark) Daten über die Position, das Verhalten und die Gruppengröße von Schweinswalen gesammelt und zwischen beiden Methoden verglichen. Es zeigte sich, dass der Theodolit besser geeignet ist, um schnell Daten über die allgemeine Verteilung der Schweinswale in einem Gebiet zu sammeln und bei der Erfassung von Daten über größere Entfernungen bessere Ergebnisse liefert. Die Genauigkeit der gewonnenen Positionsdaten der Schweinswale an der Oberfläche war bei beiden Methoden ähnlich, aber Drohnen zeigten einen klaren Vorteil bei Verhaltensbeobachtungen, da sie die Erfassung der Tiere auch unter der Wasseroberfläche ermöglichen. Die Gruppengrößen wurden mit Drohnen ebenfalls genauer bestimmt (Kapitel 3).

Auf der Grundlage der Erkenntnisse aus Kapitel 3 wurden daher Drohnen eingesetzt, um das Verhalten von Schweinswalen in der Nähe einer Stellnetzstruktur mit und ohne PAL vor der Küste von Fyns Hoved (Dänemark) detaillierter zu untersuchen. Diese Versuche sollten das Verständnis für die zum Beifang führenden Verhaltensmechanismen, sowie für die Reaktionen von Schweinswalen auf eine mit PAL ausgestattete Netzstruktur verbessern. Während der Versuche wurden zusätzlich zu Drohnen auch Unterwasser-Akustikrekorder in der Nähe der Stellnetzstruktur ausgebracht. Verschiedene Aspekte des Verhaltens der Tiere wurden aufgezeichnet bzw. bestimmt: Schwimmgeschwindigkeit, Atmungsraten, Reaktionen auf das Netz und den PAL sowie Reaktionsdistanzen. Schweinswale zeigten in ihrem Verhalten begrenzte Reaktionen bei der Bewegung entlang der Netzstruktur. Die häufigste Reaktion auf das Netz und das Netz mit PAL war das Schwimmen über die Schwimmleine hinweg, ohne eine offensichtliche Abweichung der Schwimmrichtung. Schweinswale zeigten ein einheitliches Muster der Schwimmgeschwindigkeit, wobei die Geschwindigkeit in unmittelbarer Nähe der Netzstruktur zunahm und sich nach der Interaktion mit der Netzstruktur verlangsamte. Dieses Muster wurde sowohl während nur die Netzstruktur im Wasser war beobachtet, als auch wenn der PAL an der Netzstruktur war. Das Echoortungsverhalten der Schweinswale hingegen wies signifikante Unterschiede, je nachdem, ob PAL an der Netzstruktur war oder nicht. Sowohl das kürzeste Intervall zwischen den Klicks in einer Klicksequenz und die Dauer der Klicksequenz waren geringer, nachdem die Schweinswale über die Netzstruktur mit dem PAL geschwommen waren. Während der Versuche gab es keine Anzeichen, dass Schweinswale Probleme hatten, die Netzstruktur zu vermeiden oder darüber hinweg zu schwimmen, was darauf hindeuten könnte, dass Beifangereignisse eher auf Ablenkungen und Unfälle, als auf eine grundsätzlich fehlende Möglichkeit das Netz wahrzunehmen, zurückzuführen sind (Kapitel 4).

Um zu prüfen, ob sich Schweinswale in Deutschland, wo PAL bereits seit 2017 regelmäßig eingesetzt werden, an das PAL-Signal gewöhnt haben, wurde das Echoortungsverhalten der Tiere in einem Langzeitexperiment in Zusammenarbeit mit einigen Fischern durchgeführt. Dafür wurden zwei Gebiete in Deutschland und in Dänemark ausgewählt, die beide von der Beltsee-Population bewohnt werden. Da PAL in Dänemark nicht in der Fischerei eingesetzt werden, wurde bei dem Versuch davon ausgegangen, dass die Schweinswale in Dänemark naiver gegenüber dem PAL-Signal sind, und daher Dänemark als nicht exponiertes Gebiet definiert. Die Echoortung der Schweinswale wurde zwischen Referenzstationen ohne PAL und Stationen in der Nähe von mit PAL ausgestatteten Stellnetzen sowohl innerhalb Deutschlands und Dänemarks, als auch zwischen diesen Ländern verglichen. Zu diesem Zweck wurden vier Parameter, die eine Klicksequenz beschreiben, ausgewählt und mit Hilfe traditioneller Statistikmethoden sowie verschiedener maschineller Lernmodelle untersucht: Anzahl der Klicks, mittlere Frequenz, durchschnittlicher Schalldruck sowie das kürzeste Intervall zwischen den Klicks einer Klicksequenz. Die Medianwerte für alle vier akustischen Parameter waren sowohl zwischen den Referenzstationen beider Länder als auch zwischen den Referenzstationen und den mit PAL ausgerüsteten Netzen innerhalb beider Länder sehr ähnlich. Auf der Grundlage der vier ausgewählten Klicksequenz-Parameter konnte also keine Gewöhnung der deutschen Schweinswale an den PAL festgestellt werden (Kapitel 5).

Die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse liefern wertvolle Einsichten zur Untersuchung von Schweinswalen, ihrer Interaktion mit Stellnetzen und dem PAL in der Beltsee und konnten somit einige bestehende Wissenslücken füllen. Die Bewertung der beiden Beobachtungsmethoden gibt Forschenden evidenzbasierte Anhaltspunkte für die Auswahl einer geeigneten Methode für ihre Forschungsfrage und schafft eine Grundlage für die Vergleichbarkeit verschiedener Studien, bei denen Theodoliten oder Drohnen für ähnliche Ziele eingesetzt werden. Es zeigte sich außerdem, dass Drohnen besser geeignet sind, das Verhalten von Schweinswalen zu untersuchen, da sie Aufnahmen auch unter der Wasseroberfläche ermöglichen. Dieser Vorteil wurde noch deutlicher, als das Verhalten von wild lebenden Schweinswalen zum ersten Mal in der Nähe von einer am Boden befestigten Netzstruktur gefilmt wurde. Die Interaktionen zeigten, dass Schweinswale grundsätzlich in der Lage sind, sich in der Nähe von Netzen aufzuhalten, ohne sich darin zu verfangen, und dass sie weder im Verhalten, bei der Echoortung oder in der Schwimmgeschwindigkeit stark auf die Netze und das PAL reagieren. Trotzdem kommt es in der kommerziellen Fischerei immer wieder zu Beifängen, was eher mit Ablenkung oder Unerfahrenheit einzelner Tiere als mit einer grundsätzlich fehlenden Möglichkeit, Netze wahrnehmen zu können, zusammenhängen könnte. Es wird daher empfohlen, akustische Warngeräte wie Pinger oder das PAL gleichzeitig mit Strategien zu kombinieren, die die Netze für Schweinswale akustisch wahrnehmbarer machen, um das Beifangrisiko weiter zu verringern. Basierend auf den bisher verfügbaren Informationen über PAL und den neuen Erkenntnissen aus dieser Arbeit, scheint PAL eine gute Alternative zu herkömmlichen Pingern für die Beltsee zu sein, da der PAL Schweinswale nicht aus ihrem Lebensraum ausschließt sowie in den vier untersuchten Klicksequenz-Parametern keine Anzeichen für eine Gewöhnung an das PAL-Signal festgestellt wurden. Die Ergebnisse geben allerdings keinen Aufschluss darüber, ob PAL noch ausreichend wirksam zur Reduzierung der Beifänge in der deutschen Fischerei beiträgt. Zur Beantwortung dieser Frage wird empfohlen, ein langfristiges Beifangerfassungsprogramm einzuführen, um festzustellen, ob die nachgewiesene Wirkung von PAL auf die Reduzierung der Beifänge langfristig und unter Berücksichtigung der Komplexität der realen Fischerei in der Beltsee immer noch besteht. Dies ist besonders wichtig, wenn man berücksichtigt, dass nur wenige Informationen über den Beifang von Schweinswalen in Deutschland zur Verfügung stehen und dass die derzeit geschätzten Beifangmengen in der Beltsee insgesamt über den nachhaltigen Beinfang-Grenzwerten liegen.