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Titel: Effects of coastal habitat characteristics on the reproduction of Baltic herring (Clupea harengus)
Sonstige Titel: Einflüsse von Küstenhabitatmerkmalen auf die Fortpflanzung des Ostseeherings (Clupea harengus)
Sprache: Englisch
Autor*in: Nordheim, Lena von
Schlagwörter: Fischökologie; Reproduktionsbiologie; Küstenhabitat; Fish ecology; Reproduction biology; Coastal habitat; Herring
GND-Schlagwörter: Ichthyologie; Küstenmeer; Ökologie; Hering
Erscheinungsdatum: 2019
Tag der mündlichen Prüfung: 2019-12-05
Zusammenfassung: 
In marine coastal ecosystems, persistent eutrophication, ongoing coastal development and the consequences of climate change have led to severe alterations of habitats and correspondingly of living conditions for flora and fauna. The capability to counteract critical consequences through adapted management measures, strongly depends on a holistic understanding of the species’ particular ecological needs and their interactions within the entire ecosystem.
In this context, the present studies focus on an economically and ecologically key marine species, the Atlantic herring (Clupea harengus). Herring perform annual migrations to specific spawning areas, where they attach their adhesive eggs to submerged structures. Independent of fluctuations of the spawning stock biomass, an extremely low recruitment of western Baltic spring spawning herring during recent years indicates the existence of critical bottleneck-phases during egg and larval development. Hence, eutrophication induced alterations of aquatic vegetation beds in their coastal spawning and nursery areas are evaluated within this thesis by investigating potential consequences for different early life stages of herring, with the help of intensive in situ and laboratory experiments and on-site observations.
A major consequence of eutrophication in general is a reduced depth and spatial distribution of perennial macrophytes and a shift of the local plant species composition. In order to evaluate potential impacts on herring reproduction, field experiments and investigations on the spawning substrate selectivity of herring were conducted. In herring spawning areas, experimentally planted monocultures of selected plant species, and natural mixed vegetation beds were sampled after natural spawning events occurred. The analysis of plant species specific egg coverage revealed a selectivity for branching and solid macrophytes, but also showed a certain plasticity to adapt their selection according to the available substrates and prevailing conditions.
Since the natural selection as spawning substrate does not necessarily imply good quality in terms of egg survival and hatching success, further field experiments were carried out using the method of artificial spawning (i.e. eggs were manually attached to the different plant substrates). The analyses of egg survival rates on selected macrophyte species (Zostera marina, Stuckenia pectinata, Fucus vesiculosus and Furcellaria lumbricalis) showed no statistically significant differences.
In eutrophic systems, the above described perennial macrophyte species are often covered by fast growing epiphytic algal blooms. In this thesis severe egg mortality rates were found on spawning beds covered by such filamentous brown algal blooms. Corresponding field and laboratory experiments, presented here, proved that this is not a generic oxygen- or structure-related effect of epiphytic algae. Rather, the lethal effect could be specifically attributed to the filamentous brown algae Pylaiella littoralis, and became manifested in direct egg-algae contact as well as indirectly when those algae were present in the ambient water of the eggs.
The results of this dissertation confirm the importance of healthy natural aquatic vegetation beds with high structural complexity and an extensive three-dimensional structure, for different life stages of herring, and thus for overall herring reproductive success. In addition, specific field experiments on the influence of the spawning substrate structure have shown that higher complexity is beneficial for egg survival. Finally, the investigation of larval distribution patterns revealed an active habitat selection of different larval stages for the shallow vegetated areas.
Further field investigations combined with time series analyses revealed that climate induced changes in the seasonal timing of herring reproduction have several negative consequences on various herring life stages. A clear relationship was found between a late winter onset and a low recruitment, expressed as reduced larval and juvenile abundances. Additional field experiments in the beginning and the end of the spawning season allowed for a seasonal comparison of egg survival rates. The later experiment resulted in higher egg mortality, probably because fungi and algal blooms increase with rising water temperatures.
It can be summarized that eutrophication and changing temperature regimes could be identified as the major threats to herring reproductive success due to complex cascades that cause severe spawning and nursery habitat alterations. This underpins the urgent need to reduce causative anthropogenic stressors (i.e. nutrient inflows and greenhouse gas emissions), and to implement areas of particular importance in coastal zone management plans, in order to maintain or even restore the ecological function of coastal ecosystems as herring nursery areas in particular, and as habitat for numerous other fish species in general.

In marinen Küstenökosystemen haben die anhaltende Eutrophierung, die fortschreitende Küstenentwicklung und die Folgen des Klimawandels zu gravierenden Veränderungen der Habitate und damit der Lebensbedingungen für Flora und Fauna geführt. Um kritischen Konsequenzen durch angepasste Managementmaßnahmen entgegenwirken zu können, muss umfassendes Wissen zu den ökologischen Anforderungen der Arten und den Wechselwirkungen innerhalb des gesamten Ökosystems bestehen.
Mit diesem Hintergrund konzentrieren sich die vorliegenden Studien auf eine sowohl wirtschaftliche als auch ökologische Schlüsselart, den Atlantischen Hering (Clupea harengus). Heringe wandern jedes Jahr zu bestimmten Laichgebieten, wo sie ihre Eier an Unterwasserstrukturen kleben. In den letzten Jahren deutet eine von Schwankungen der Bestandsgröße unabhängige geringe Rekrutierung von Heringen aus der westlichen Ostsee auf kritische Engpässe während der Entwicklung von Eiern und Larven hin. In dieser Arbeit werden daher eutrophierungsbedingte Veränderungen der aquatischen Vegetation in Küstengewässern und damit in den Heringslaichgebieten und -kinderstuben betrachtet. Dafür wurden mögliche Konsequenzen für verschiedene Herings-Lebensstadien mithilfe von In situ- und Laborexperimenten sowie Feld-Untersuchungen analysiert.
Eine Hauptfolge von Eutrophierung ist die Veränderung der Pflanzenzusammensetzung und -ausdehnung. Um mögliche Auswirkungen auf die Reproduktion zu bewerten, wurden Feldexperimente zur Laichsubstratselektivität von Heringen durchgeführt. Dafür wurden nach natürlichen Laichereignissen die gemischte Vegetation im Laichgebiet und experimentell angelegte Monokulturen ausgewählter Pflanzenarten beprobt. Die Analyse der pflanzenspezifischen Ei-Menge zeigte eine Präferenz für verzweigte und feste Makrophyten und gleichzeitig auch eine gewisse Flexibilität der Heringe ihre Auswahl, je nach verfügbaren Substraten und vorherrschenden Umweltbedingungen, anzupassen.
Da die Wahl als Laichsubstrat nicht automatisch eine gute Qualität für das Ei-Überleben bedeutet, wurden gezielte Feldexperimente mit verschiedenen Pflanzenarten durchgeführt, auf die manuell Heringseier aufgebracht wurden. Die Analyse der Ei-Überlebensraten auf den ausgewählten Makrophytenarten (Zostera marina, Stuckenia pectinata, Fucus vesiculosus und Furcellaria lumbricalis) ergab keine statistisch signifikanten Unterschiede.
In eutrophen Systemen werden die oben beschriebenen mehrjährigen Makrophytenarten häufig von epiphytischen Algenblüten überwachsen. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigten massive Ei-Mortalitätsraten auf Laichbetten auf denen eine solche fädige Braunalgenblüte stattgefunden hat. Gezielte Feld- und Laborexperimente haben gezeigt, dass es sich dabei nicht um einen generellen sauerstoff- oder strukturbedingten Effekt epiphytischer Algen handelt. Der letale Effekt konnte spezifisch auf die fädige Braunalge Pylaiella littoralis zurückgeführt werden und manifestierte sich sowohl bei direktem Ei-Algen-Kontakt als auch indirekt bei Algen im Umgebungswasser der Eier.
Die Ergebnisse dieser Dissertation bestätigen die Bedeutung gesunder aquatischer Vegetationsbestände mit hoher struktureller Komplexität und ausgedehnter dreidimensionaler Struktur für verschiedene Lebensstadien und damit generell für den Reproduktionserfolg der Heringe. Darüber hinaus haben spezielle Feldexperimente zum Einfluss der Laichsubstratstruktur gezeigt, dass eine höhere Komplexität für das Überleben der Eier von Vorteil ist. Und auch eine Untersuchung der Larvenverteilungsmuster zeigte die aktive Habitatwahl verschiedener Larvenstadien für bewachsene Küstenzonen.
Die Kombination von weiteren Felduntersuchungen und Zeitreihenanalysen zeigte negative Auswirkungen klimabedingter Veränderungen des saisonalen Laich-ˈtimingsˈ auf verschiedene Lebensstadien des Herings. Dabei wurde ein deutlicher Zusammenhang zwischen späten Wintereinbrüchen und geringer Rekrutierung (Larven und Jungfisch Abundanzen) festgestellt. Zusätzliche Feldexperimente zu Beginn und am Ende der Laichsaison ermöglichten einen saisonalen Vergleich der Ei-Überlebensratenund zeigten höhere Mortalitätsraten am Saisonende, wahrscheinlich weil Pilzbefall und Algenblüten mit steigenden Wassertemperaturen zunehmen.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass Eutrophierung und sich verändernde Temperaturregimes als massive Bedrohungen für eine erfolgreiche Heringsreproduktion identifiziert wurden, da sie über komplexe Wirkkaskaden im Ökosystem zu gravierenden Veränderungen der Laich- und Nachwuchshabitate des Herings führen. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, ursächliche anthropogene Stressfaktoren (d.h. Nährstoffzuflüsse und Treibhausgasemissionen) zu reduzieren und Gebiete mit besonderer ökologischer Bedeutung in Küstenmanagementpläne zu implementieren, um ihre ökologische Funktion für die Heringsreproduktion im Speziellen und als Lebensraum für zahlreiche andere Fischarten im Allgemeinen zu erhalten bzw. wiederherzustellen.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/6161
URN: urn:nbn:de:gbv:18-102359
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Möllmann, Christian (Prof. Dr.)
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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