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Change perspectives : assessing impacts of anthropogenic activities on marine mammals by monitoring populations and individuals

Die Nordsee ist eine der am stärksten genutzten Schelfregionen weltweit mit einer Vielzahl menschlicher Einflüsse, einschließlich Schifffahrt, Verschmutzung, Fischerei und Offshore-Konstruktionen. Gleichzeitig kommen in der südlichen Nordsee drei Meeressäugerarten regelmäßig und in hoher Abundanz vor: der Seehund (Phoca vitulina), die Kegelrobbe (Halichoerus grypus) und der Schweinswal (Phocoena phocoena). Aufgrund ihres Status als Indikatoren des Nordsee-Ökosystems haben sie in der Europäischen Union einen hohen Schutzstatus. Es besteht jedoch die Sorge, dass die Vielfalt der anthropogenen Aktivitäten negative Auswirkungen auf ihre Populationen haben könnte. Diese Arbeit zielte daher darauf ab, die Nützlichkeit der Untersuchung von Populationen von Meeressäugern aus zwei Perspektiven zu veranschaulichen: der individuellen und der Populationsebene.

Das erste Manuskript konzentrierte sich auf die Schätzung von Trends in der Schweinswalabundanz auf der Grundlage von fast zwei Jahrzehnten von Zählflügen (2002-2019). Langfristige Trends wurden sowohl auf der Ebene der deutschen Nordsee als auch auf der Ebene von drei Meeresschutzgebieten abgeschätzt, welche den Schweinswal als ausgewiesenes Schutzgut beinhalten. Für die Trendanalyse wurde ein Bayesischer Analyseansatz auf eine Reihe replizierter visueller Erhebungen angewendet, der es ermöglichte, die Fehlerstruktur der ursprünglichen Abundanzschätzungen auf die endgültige Trendschätzung zu übertragen. Generell nahm die Zahl der Schweinswale im Norden ab und im Süden zu. Ein besonders starker Rückgang mit hoher Wahrscheinlichkeit (94,9%) wurde im Kernverbreitungsgebiet im Sommer, dem Naturschutzgebiet Sylter Außenriff, festgestellt (3,79% pro Jahr). Der Gesamttrend für die deutsche Nordsee zeigte mit hoher Wahrscheinlichkeit (95,1%) einen Rückgang der Schweinswalabundanz über den gesamten Untersuchungszeitraum (-1,79% pro Jahr). Die zugrundeliegenden Ursachen und Treiber für den starken Rückgang sind noch unbekannt und erfordern weitere Untersuchungen. Die beobachteten Trends sind wahrscheinlich das Ergebnis mehrerer, unterschiedlicher Belastungen. In diesem Zusammenhang sind individuen-basierte Studien unerlässlich, um Daten über die Quantität und Qualität bestimmter Stressoren zu liefern, d. h. wie hoch die Expositionsraten sind und wie stark die Belastungen für das Individuum sein können, was wiederum Rückschlüsse auf die Populationsentwicklung zulässt.

In Manuskript 2 wird ein geeigneter Ansatz vorgestellt, wie die individuelle Belastung durch einen bestimmten Stressor, in diesem Fall Schiffslärm, mittels hochauflösender Telemetriegeräte (DTAGs) quantifiziert werden kann. Neun Seehunde wurden im deutschen Wattenmeer mit diesen Geräten ausgestattet. Sie zeichnen gleichzeitig die Bewegungen der Tiere sowie die Unterwassergeräuschkulisse um das Tier herum auf. Ein semi-automatisiertes Tool wurde entwickelt, um eine schnelle Identifizierung und Klassifizierung von Schiffslärmereignissen in den Schallaufzeichnungen zu ermöglichen. Zusätzlich wurden Daten aus dem Automatischen Identifikationssystem (AIS) von Schiffen beschafft, um die potenzielle Identität vorbeifahrender Schiffe festzustellen. Betrachtet man nur die Zeiträume mit geringer Hintergrundlärmbelastung, wurden insgesamt 133 Schiffspassagen identifiziert. Bei 85% aller Schiffspassagen wurde mindestens ein AIS-registriertes Schiff entdeckt. Im Durchschnitt waren die besenderten Seehunde 4,3 ± 1,6 (Mittelwert ± SD) Schiffspassagen pro Tag ausgesetzt. Seehunde trafen am häufigsten auf Fischereifahrzeuge, gefolgt von „High Speed Crafts“ und Frachtschiffen. Da die Robben aus dieser Studie den größten Teil ihrer Zeit in Schutzgebieten verbrachten, ereigneten sich die meisten Schiffsbegegnungen (93 ± 7 %) auch innerhalb dieser Schutzgebiete. Dies unterstreicht die Notwendigkeit von Managementmaßnahmen zur Gewährleistung einer wirksamen Erhaltung empfindlicher Lebensräume und der darin enthaltenen Arten.

Die vorliegende Arbeit demonstriert die Stärken verschiedener methodischer Ansätze zur Untersuchung von Meeressäuger-Populationen in freier Wildbahn. Die Kombination dieser beiden Ansätze stellt eine effektive Möglichkeit dar, die Verbreitung und Habitatnutzung von Schlüsselarten sowie Veränderungen durch anthropogene Einflüsse zu überwachen. Die Integration beider Ansätze im Rahmen eines Monitoringprogramms erscheint daher besonders sinnvoll und aufschlussreich. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Sammeln von Daten auf individueller und Populationsebene den behördlichen Entscheidungsprozess informieren und weiter dazu beitragen wird, den guten Umweltzustand (GES) zu erreichen, wie von der Europäischen Meeresstrategie-Rahmenrichtlinie (MSRL) gefordert.

The North Sea is one of the most heavily used shelf regions worldwide with a diversity of human impacts, including shipping, pollution, fisheries and offshore constructions. At the same time, there are three marine mammal species occurring regularly and with high abundance in the southern North Sea: the harbour seal (Phoca vitulina), the grey seal (Halichoerus grypus) and the harbour porpoise (Phocoena phocoena). Due to their status as indicators of the North Sea ecosystem, they have a high conservation priority in the European Union. However, there is concern that the variety of anthropogenic activities may have adverse impacts on their populations. This thesis hence aimed to illustrate the usefulness of studying marine mammal populations from two perspectives: the individual and the population level.

The first manuscript focussed on the estimation of trends in harbour porpoise abundance based on almost two decades of aerial surveys (2002-2019). Long-term trends were estimated on the level of the German North Sea as well on the level of three Special Areas of Conservation (SAC), which include the harbour porpoise as designated feature. For the trend analysis, a Bayesian framework was applied to a series of replicated visual surveys, allowing to propagate the error structure of the original abundance estimates to the final trend estimate. In general, harbour porpoise abundance decreased in northern areas and increased in the south. A particularly strong decline with a high probability (94.9%) was detected in the core area in summer, the SAC Sylt Outer Reef (‑3.79% per year). The overall trend for the German North Sea revealed a decrease in harbour porpoise abundance over the whole study period (-1.79% per year) with high probability (95.1%). The underlying causes and drivers for the large decline remain unknown and call for further investigations. The observed trends are likely the result of multiple pressures. In this context, individual-based studies are essential to provide data on the quantity and quality of particular stressors, i.e. what the exposure rates are and how severe the exposures might be for the individual, which again allows inferences on the population dynamics.

In manuscript 2, a suitable approach is presented how individual exposure to a certain stressor, in this case vessel noise, can be quantified using high-resolution sound and movement bio-telemetry tags (e.g. DTAGs). Nine harbour seals were instrumented with these tags in the German Wadden Sea region of the North Sea. These devices simultaneously record the movements of the tagged animals as well as the underwater soundscape around the animal. A semi-automated tool was developed to enable a rapid identification and classification of vessel noise events in the sound recordings. Additionally, Automatic Identification System (AIS) data were acquired to establish the potential identity of passing vessels. Considering only periods when ambient noise was low enough to detect vessels, a total of 133 vessel passes was identified. In 85% of on-effort vessel passes, at least one AIS registered vessel was detected. On average, tagged harbour seals were exposed to 4.3 ± 1.6 (mean ± SD) vessel passes per day. Harbour seals most commonly encountered fishing vessels followed by high speed crafts and cargo ships. As seals of this dataset spent the majority of their time within conservation areas, most vessel encounters (93 ± 7%) also occurred within these protected sites. This highlights the need for measures to ensure an effective conservation of sensitive habitats and the species within.

The present thesis demonstrates the strengths of different methodological approaches to study marine mammal populations in the wild. The combination of both approaches represents an effective way to monitor the distribution and habitat use of key species as well as changes due to anthropogenic impacts. Thus, the integration of both approaches in the frame of a monitoring programme seems especially useful and informative. In summary, gathering data on an individual and population level will inform the regulatory decision-making process and further aid in achieving the Good Environmental Status (GES) as demanded by the European Marine Strategy Framework Directive (MSFD).

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