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From eggs to juveniles
what happens to fish larvae in rivers? ; underlying processes and determinants of dispersal processes and habitat selection
Elisabeth Schludermann
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Hubert Keckeis
Alle Rechte vorbehalten / All rights reserved
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30498.28697.865463-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract
(Deutsch)
Fische stellen aufgrund ihrer spezifischen Habitatansprüche wichtige Indikatoren für die ökologische Integrität von Fließgewässern dar. Diese Zeigerwirkung beruht auf distinkten Änderungen von Umwelt-und Habitatansprüchen im Verlauf der Ontogenie und andererseits im gezielten Aufsuchen unterschiedlicher Habitate im Zuge von Migrationen. Besonders den frühen Entwicklungsstadien (0+ Fische oder YOY (young-of.the-year)), den Larven und Juvenilen, kommt große Bedeutung zu, da ihr Überleben maßgeblich für die Größe und den Erhalt der Populationen ist. Daher wurden die Habitatnutzungen dieser sensiblen Stadien bereits durch zahlreiche Studien in unterschiedlichen Fließgewässersystemen gut belegt: während Aufwuchsareale als geschützte Buchten beschrieben werden, sind die Laichplätze typischer Flussfische als stark durchströmte, sauerstoffreiche Stellen charakterisiert. Die Verbindung dieser unterschiedlichen Habitattypen, die mitunter räumlich stark getrennt sind, muss aber gewährleistet sein, um das Überleben des Nachwuchses und in letzter Konsequenz den Erhalt der Populationen zu sichern. In diesem Zusammenhang stellen in Fließgewässern, aufgrund ihrer oft hohen Strömungsbedingungen, der Transport flussab und ausreichende Retentionsräume (Lage, Anzahl, Volumen) entscheidende Faktoren dar. Daher kommt der Erforschung von Verbreitungsmustern und Verteilungsmodalitäten in fischökologischen Studien eine hohe Bedeutung zu. Es existieren nur wenige Untersuchungen in Fließgewässersystemen, die den gesamten Verteilungsprozess von 0+-Fischen (dispersal) betrachten. Ausbreitungs- und Verteilungsprozesse werden sowohl von biotischen/individuellen als auch abiotischen/Umwelt-Faktoren auf verschiedenen Skalierungsstufen bestimmt. Die vorliegende Dissertation untersucht und beschreibt Verteilungs- und Verbreitungsmuster (flussauf- und flussab-gerichtet) von Larven- und Juvenilstadien einer charakeristischen Fischart in zwei verschiedenen Flusssystemen unterschiedlicher Ordnungen in Bezug auf ontogenetische wie auch Umwelt-Faktoren. Als Modelorganismus wurde die Nase, Chondrostoma nasus L., gewählt, da sie zu den – für diese Breiten – typischen Flussfischen zählt und trotz ihres großen Verbreitungsareals bereits Gefährdungsstatus aufweist. Basierend auf einem “Mark-Recapture”-Designs wurden markierte Fischlarven – in einem frühen Entwicklungsstadium – in potentielle Laichhabitate natürlicher Fliessgewässersysteme ausgebracht, und deren weitere Verbreitung und Überlebensrate untersucht. In einem ersten Schritt wurden die Verbreitung und die räumliche Verteilung von 0+-Fischen im Wienfluss, einem Fliessgewässer kleiner Ordnung (Ordnungszahl 5) über den Zeitraum eines Jahres untersucht. Signifikante Zusammenhänge zwischen Verbreitung und Alter (biotische Faktoren) sowie Durchflussvariabilität (abtiotische Faktoren) wurden festgestellt. Die Verbreitung der Fische stieg mit zunehmenden Alter und Langzeitänderungen des Abflussregimes an, während kurzfristig auftretende Änderungen im Abflussregime kürzere Verbreitungsdistanzen bewirkten. Die Verteilungsstruktur veränderte sich ebenfalls mit dem Alter: ein Trend zu stärker aggregiertem Vorkommen (Schwarmbildung) mit zunehmenden Alter war bemerkbar. Dies stimmte auch mit den ontogenetisch bedingten „Habitat-Shifts“ überein. Basierend auf diesen Ergebnissen, wurden in einem Folgeschritt Verteilungsmuster (flussauf und flussab) in der freien Fließstrecke der Donau untersucht. Auf Grundlage eines hydrodynamischen 3D-Modells wurden theoretische Verbreitungspfade von Fischlarven simuliert und in situ am Ufer eines Aufwuchshabitats (Schotterbank) getestet. Die im Freiland vorgefundenen Verbreitungspfade stimmten nicht mit der vorausgesagten überein, da diese auf Annahme eines rein passiven Verbreitungsmodus berechnet wurden. Dies lässt den Schluss zu, dass bereits bei Fischlarven aktive Komponenten in ihre Verteilungsmodi maßgeblich einfließen. Außerdem konnten klare Unterschiede in der zeitlichen Abfolge der Verteilung in Abhängigkeit von hydraulischen Bedingungen gefunden werden: in turbulenten Bereichen gingen die Larven zeitverzögert in die Drift. Von jenen Larven, die im Untersuchungsgebiet über einen längeren Zeitraum nachgewiesen werden konnten, befand sich der Großteil oberhalb der Aussatzpunkte. Diese „Settlers“ waren signifikant größer als jene, die zum selben Zeitpunkt in der Drift nachgewiesen werden konnten. Aus diesen Ergebnissen konnte geschlussfolgert werden, dass vor allem große Individuen einen Vorteil hinsichtlich der Habitatwahl gegenüber Kleineren haben. Um dessen Auswirkungen auch auf Wachstum und Überleben zu untersuchen, wurden in einem weiteren Experiment individuelle Wachstumstrajektorien anhand von Otolithen untersucht. Es zeigte sich, dass Individuen mit einer höheren Startgröße generell höhere Wachstumsraten in der larvalen Phase aufwiesen. In Bezug auf das Überleben waren sowohl kleine wie auch ganz große Individuen von höheren Mortalitätsraten betroffen, da im letzteren Fall Räuber-Beute-Beziehung ebenfalls schlagend wurden. Dieses Muster konnte auch mittels des Lande-Arnold-Selektionsmodells bestätigt werden: sowohl gerichtete wie auch stabilisierende Komponenten wiesen Signifikanzen auf. Der Größenvorteil war aber nur während der frühen Entwicklungsphase gegeben – mit zunehmendem Alter verschwand dieser Startvorteil, da kompensatorisches Wachstum wie auch Raubdruck an Bedeutung zunahmen. Betrachtet man Verteilungsmuster von 0+-Fischen in Freilandexperimenten in Fliessgewässern, sollte man aber auch die potentiellen Effekte durch die Schifffahrt auf diese Zöonose berücksichtigen, da viele Fliessgewässer stark für die Binnenschifffahrt genutzt werden, und somit Verteilungsmuster auch von diesen Effekten beeinflusst werden. In einer ersten Untersuchung wurden die durch schifffahrtsbedingten Wellenschlag verursachten Habitatänderungen generell aufgezeichnet und quantifiziert. Schiffahrtsinduzierter Sunk und Schwall, Änderungen der Fließgeschwindigkeit sowie Trübe wurden zu kritischen Kennwerten für 0+-Fische aus der Literatur in Beziehung gesetzt. In einem nächsten Schritt wurde während der Aufwuchszeit mittels eines integrativen Messprogramms der direkte Einfluss des schifffahrtsbedingten Wellenschlags auf die 0+-Zönose in Aufwuchsarealen gemessen und analysiert. Generell konnten während Schiffspassagen kurzfristige Verfrachtungen der Habitate durch Sunk und Schwall, erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten sowie Schwebstoffkonzentrationen, die über die in der Literatur anführten kritischen Werte hinausgehen, beobachtet werden. Driftdichten wie auch die Zusammensetzung der 0+Zönose waren zwischen den untersuchten Habitaten unterschiedlich. Besonders an der Schotterbank waren die Driftdichten der Cypriniden (Karpfenartige), eine Familie die viele charakteristische Flussfischarten der Donau repräsentiert, während Schiffspassagen stark erhöht. Diese Ergebnisse haben gezeigt, dass vor allem Habitate mit geringer Uferneigung vom Wellenschlag betroffen sind – jene, die im Rahmen von Restaurierungsmaßnahmen favorisiert werden, da sie charakteristische, natürliche Flusshabitate darstellen. Gerade die forcierte Etablierung dieser Habitate könnte aber in Zukunft zu Problemen für 0+-Fische und somit den Populationserhalt charakteristischer Flussfische führen, da in diesen die Verfrachtungsgefahr durch Wellenschlag besonders hoch ist.
Abstract
(Englisch)
The use of fish as indicators for ecological quality of river systems is due to their specific life history patterns and their immediate response to habitat alterations. Many temperate rivers have been severely altered in river morphology and in the hydrological regime as a consequence of the extensive usage for navigation, power production, flood control and waste water cleaning leading to a decline of typical riverine biota. Larval and juvenile fish (0+ fish or young-of-the-year: YOY) have often been the focus of scientific studies within these systems, as the early life history stages are crucial for the maintenance of riverine fish populations. Therefore, their habitat preferences are well known: nursery areas are described as sheltered, highly productive inshore areas whereas in contrast, spawning sites for typical riverine fish species are characterised as high flow habitats. Nevertheless, these totally different habitat types must be in close proximity to each other, as apparently emerging larvae are passively drifted downstream to the nursery zones. So, fish ecologists are well aware of the significance of larval dispersal for population dynamics, but only few studies exist, that incorporate the whole dispersal processes (drift and dispersion) in lotic freshwater systems. Especially (downstream) transport and retention mechanisms are seen as critical factors affecting survival and growth as well as population fitness. In general, dispersal is triggered by biotic and abiotic factors at different spatial scales. The present PhD-thesis investigated downstream and upstream movements of introduced YOY in different river systems in relation to ontogeny (biotic), and to potential environmental triggers (abiotic factors). Nase carp, Chondrostoma nasus L., was taken as a model organism as it represents a typical, in several countries endangered riverine species for temperate European river systems. Based on a mark-recapture design, marked larval fish, at an early developmental stage, feeding entirely exogenously, were introduced in natural riverine reaches. In a first step, dispersion and spatial distribution of YOY were investigated over a year’s time span in a small river system. Significant relationships between dispersion and age and discharge variability, respectively, were observed. Fish movement significantly increased with age and longterm discharge variation, whereas short-term changes in the discharge pattern resulted in reduced movements. Spatial distribution varied with age; a trend towards higher aggregation of YOY-fish with advanced age was observed in both reaches. This was also reflected by concomitant significant ontogenetic shifts in microhabitat selection. Based on these findings, in a second step, a modelling approach describing dispersal patterns (drift and dispersion) was tested at larger scale, along a shoreline nursery habitat of a large natural river, the River Danube. The influence of the hydraulic conditions was analysed by means of a 3Dhydrodynamic model. Furthermore, observed larval pathways were related to numerical particle tracing paths. Observed larval paths did not follow the predicted particle paths derived from the model representing solely the passive component. Clear differences in the temporal drift pattern were due to significant differences in the hydrodynamic characteristics of the release stations. Some larvae remained in the study reach, most were recaptured upstream of the release point. These were significantly larger than drifting larvae. Therefore, in a third experiment, effects of larval initial size on the growth and survival were tested to get further information on the implications on population fitness. Parameters of individual daily growth trajectories were used as a basis to explain growth, as well as survival patterns, in relation to ontogeny. Initial size only affected growth rates during the larval phase. Survival patterns could not be explained solely based on size-selective mortality processes because prey-predator interactions probably played a major role as well. This was confirmed by the Lande-Arnold selection model, since directional, as well as stabilizing gradients, showed significant values. Thus, inherited size-specific effects were a significant advantage for growth performance and survival in early ontogeny. As fish grew older, however, other effects such as compensatory growth and, prey-predator interactions apparently gained in importance. The results strongly support that larval dispersal has an active component and that dispersal and retention patterns are dependent on the habitat structure and hydrodynamic characteristics. This emphasizes the importance of links between the location of spawning sites within the river and variation in flow during early development, the combination of which may contribute to successful recruitment of fluvial fish species. Furthermore, individual properties as i.e. body size have major implications on latter growth and survival affecting population fitness at last. Regarding larval retention, one has to include vessel-induced wave wash and its effects on nursery habitat and implications on the YOY fish fauna, as temperate rivers are severely altered for navigation purposes. Initially, in situ conditions during ship passages were investigated in three different inshore zones of the Danube and set in relation to results on swimming performances and capacities of larval and juvenile fish obtained from literature. In a next step, an integrative approach was applied: During the growing season of fish larvae abiotic characteristics of waves and fish drift and fish presence along the shore were simultaneously monitored in two distinct nursery habitats. In general, short-term dislocation of suitable nursery habitats due to wake and splash, increased water velocities during ship passages frequently exceeding maximum swimming performances and enhanced suspended solids concentrations were found in the investigated habitats. Drift densities as well as community composition differed between habitat types. Especially at the gravel bar, drift densities of larval cyprinids - representing many key stone species of the Danube - increased during ship passages. The results showed that banks of gentle slopes are particularly affected by vessel-induced wave wash. However, these habitats are often established within the scope of modern river restoration projects, as they represent characteristic, natural riverine elements and provide suitable nursery habitats of high quality for characteristic riverine fish species. Beside the positive effects on biota, the establishment of these habitats in navigable reaches may lead to problems for YOY-fish due to high rates of displacement by ship-generated waves.

Schlagwörter

Schlagwörter
(Englisch)
Chondrostoma nasus dispersal patterns distribution ontogentic-induced habitat shifts discharge fluctuations hydrodynamic modelling particle-tracing active movements retention of fish larvae larval drift initial size daily growth rates survival otoliths selection mechanisms vessel-induced wave wash wake and splash patterns instream habitats habitat loss
Schlagwörter
(Deutsch)
Chondrostoma nasus Verteilungsmuster Verbreitung ontogentische Habitatshifts Durchflussregime hydrodynamische Modellierung particle-tracing aktive Verbreitung Fischlarvenretention Fischdrift Größenvorteil Wachstum Survival Otolithen tägliche Inkremente Selektionsmechanismen schiffahrtsbedingter Wellenschlag Sunk und Schwall Flusshabitate Habitatverlust
Autor*innen
Elisabeth Schludermann
Haupttitel (Englisch)
From eggs to juveniles
Hauptuntertitel (Englisch)
what happens to fish larvae in rivers? ; underlying processes and determinants of dispersal processes and habitat selection
Paralleltitel (Deutsch)
Von Fischeiern zu Juvenilen ; was passiert mit Fischlarven in Fließgewässersystemen?
Publikationsjahr
2012
Umfangsangabe
131 S. : Ill., graph. Darst., Kt.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Hubert Keckeis ,
Leopold Füreder
Klassifikationen
42 Biologie > 42.60 Zoologie: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.81 Pisces ,
42 Biologie > 42.90 Ökologie: Allgemeines ,
42 Biologie > 42.93 Limnologie
AC Nummer
AC10497867
Utheses ID
19839
Studienkennzahl
UA | 091 | 439 | |
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