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Conservation and management of Florida spotted seatrout (Cynoscion nebulosus) [Elektronische Ressource] : how can a detailed understanding of the environmental and biological factors influencing population dynamics help to better manage the species? / vorgelegt von Sven Kupschus

De
120 pages
Conservation and management of Florida Spotted Seatrout (Cynoscion nebulosus). How can a detailed understanding of the environmental and biological factors in-fl uencing population dynamics help to better manage the species?Dissertationzur Erlangung des Doktorgradesder Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultätder Christian-Albrechts-Universität zu Kielvorgelegt vonSven KupschusKiel, 2010Referent / in: Prof. Dr. D. SchnackKoreferent / in:Second referee: Dr. J. GrögerTag der mündlichen Prüfung: 22 Juli 2010Zum Druck genehmigt: Kiel 22 Juli 2010gez. Prof. Dr. rer. nat. Lutz Kipp- Dekan -Author’s declarationAt no time during the registration for the degree of ‘Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albre-chts-Universität zu Kiel’ has the author been registered for any other University award. The work is original and was solely conducted by the author except where indicated in the general introduction. Chap-ter 2 and 3 are already published in scientifi c journals, and the intent is to publish Chapter 4 shortly. The work was has been conducted in accordance with ‘best practise’ guidelines and regulations of the scientifi c community. No part of the dissertation has been submitted for any other degree.SummarySummarySpotted seatrout populations have been historically exploited to various degrees.
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Conservation and management of Florida
Spotted Seatrout (Cynoscion nebulosus).
How can a detailed understanding of the
environmental and biological factors in-
fl uencing population dynamics help to
better manage the species?
Dissertation
zur Erlangung des Doktorgrades
der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät
der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
vorgelegt von
Sven Kupschus
Kiel, 2010Referent / in: Prof. Dr. D. Schnack
Koreferent / in:Second referee: Dr. J. Gröger
Tag der mündlichen Prüfung: 22 Juli 2010
Zum Druck genehmigt: Kiel 22 Juli 2010
gez. Prof. Dr. rer. nat. Lutz Kipp
- Dekan -Author’s declaration
At no time during the registration for the degree of ‘Doktorgrades der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Christian-Albre-
chts-Universität zu Kiel’ has the author been registered for any other
University award. The work is original and was solely conducted by
the author except where indicated in the general introduction. Chap-
ter 2 and 3 are already published in scientifi c journals, and the intent
is to publish Chapter 4 shortly. The work was has been conducted
in accordance with ‘best practise’ guidelines and regulations of the
scientifi c community. No part of the dissertation has been submitted
for any other degree.Summary
Summary
Spotted seatrout populations have been historically exploited to various degrees. A
recent shift from a sizeable commercial exploitation to a largely recreational exploitation
has resulted in the deterioration in data quality due to the greater diffi culty in obtaining
suitable data for stock assessments from such fi sheries. At the same time there has been
increasing concern about state of the stocks from an environmental aspect, leading to
increased research interest in the species to improve conservation and management.
Although the data has been collected for different and specifi c purposes, it frequently
contains valuable additional information on the biology of the species and on trends
in population dynamics over time. Extracting such information is often hampered by
inconsistent or intermittent data collection and the confl ict between the original sam-
pling design needs and the requirements of long-term investigations into the population
dynamics of seatrout.
This study investigates juvenile habitat requirements, reproduction, variation in growth
and trends in recruitment using data from three of the main estuarine areas in Florida
- Charlotte Harbor, the Indian River lagoon and Tampa Bay - to investigate what ad-
ditional information can be extracted from the available data provided by the fi sheries
independent and fi sheries dependent monitoring programs as well as data collected for
additional biological studies over the last 20 years.
Generalised additive model (GAM) were chosen as an approach, because of their
ability to elucidate the form of relationships for which the underlying functional form is
unknown and their ability to cope with a variety of error structures. However, it is exactly
this fl exibility which also makes them vulnerable to inconsistencies in the sampling
design. Therefore to derive robust quantitative models suitable as an evidence base for
management bootstrap, independent data verifi cation and other modelling approaches
in conjunction with a rigorous analysis of model assumptions and a critical review of the
biology were undertaken.
Results indicate that it is fi rstly possible to use GAMs to develop quantitative models of
distribution and habitat usage suffi ciently robust to be transferable between estuarine
systems so that they can be used to evaluate the habitat value and the anthropogenic risk
in estuaries currently not monitored for seatrout populations. Secondly, the reproductive
models suggest that the temporal variation in reproduction between estuaries is driven
by differences in the environmental conditions rather than genetic or population differ-
ences and that therefore the model should be universally applicable if environmental
conditions are known. Thirdly, in contrast variation in growth, although similar between
populations with regards to the effect of age sex and season does differ by cohort and
year, so that neither a single growth model for a population, nor even one for different
cohorts within a population should be used when assessing population dynamics in the
different management units. Lastly, recruitment indices, based on the year effect from
habitat models provide robust measures of relative abundance even in the presence of
considerable changes in the sampling design, when models are suitably constrained. The current stock assessment methodology is unable to accurately refl ect the interan-
nual differences in cohort strength within different populations, because management
units span more than one estuary with discrete population trends and because age
information is aggregated in periods greater than one year.
Generalised additive models can then extract signifi cant amounts of additional infor-
mation and provide robust management tools provided the evaluation of the model
properties have been suffi ciently rigorous. A more integrated approach to the man-
agement of seatrout in Florida is therefore possible, but the magnitude of the impact
on management of the species is still unclear in the absence of suffi ciently detailed
estuarine hydrodynamic and stock assessment models. Zusammenfassung
Zusammenfassung
Spotted Seatrout Populationen wurden historisch unterschiedlichem Grade ausge-
beutet. Da man kürzliche von einer beträchtlichen kommerziellen zu einer weitgehend
freizeitbedingten Nutzung übergeangen ist, kam es zu einer qualitativen und quantia-
tiven Verschlechterung der für die Bestandsaufnahme nötigen Datensätze. Zu gleich
wächst die Sorge um den Zustand der Bestände aus ökologischer Sicht, was zu einem
erhöhten Interesse in der Artenerhaltung und dem Management geführt hat.
Obwohl die verfügbaren Daten ueber die Jahre zu specifi schen Zwecken gesammelt
worden sind, enthalten sie häufi g wertvolle zusätzliche Informationen über die Biologie
der Art und Trends in der Populationsdynamik ueber größere Zeiträume.
Das herausfi ltrieiren, dieser informationene wird of oft durch inkonsestente oder intermit-
tierende datenerhebung behindert, und wird besonders erschweert durch den Konfl ickt
zwischen den Beduerfnissen des urspruenglichen Sammlungszwecks und den lang-
fristigen Anforderungen hinsichtlich der populationsdynamischen Untersuchungen.
Diese Studie untersucht separat juvenile Lebensraumnutzung, Reproduktion, Wach-
stumsunterschiede und Trends in der Rekrutierung mit Hilfe von Daten der letzten 20
Jahre aus drei wichtigen Mündungsgebieten in Florida - Charlotte Harbor, Indian River
und Tampa Bay - um zusätzliche Information zu gewinnen aus den von der Fischerei
unabhängigen und von der Fischerei abhängigen Überwachungsprogrammen sowie
aus zusätzlichen biologische Studien.
Als statistische Methode wurde das verallgemeinerte additive Modell (GAM) aus-
gewählt. Dieses ist auf Grund seiner Flexibilität in Bezug auf die modellmäßige Adap-
tion der funktionellen Form und seiner Fähigkeit geeignete Fehlerverteilungsfunktionen
anzuwenden, besonders für diese Studie geeignet. Diese Flexibilität kann aber auch
bei multicolinearen Abhängigkeiten in Datensätzen zu Komplikationen in der Model-
lauswertung führen, so daß hier Bootstrap, unabhängige Daten und anderen Model-
lierungsansätze in Verbindung mit einer strengen Analyse der Modellannahmen und
eine kritische Überprüfung der Biologie der Art unternommen worden sind. Dies ist
essentiell um robuste quantitative Modelle zu erstellen, die sich als sichere Grundlage
für das Management der Art eignen sollen.
Die Anwendung von GAMs laesst folgende Schlüesse ziehen. Die Modelle der
Verteilung und Lebensraumnutzung sind ausreichend robust und übertragbar zwischen
verschiedenen Mündungsgebieten, so daß sie dazu verwendet werden können um Qual-
ität des Lebensraumes zu bestimmen und die anthropogenisch verursachten Risiken
auch auf unüberwachte Gebiete in Florida zu übertragen.- Das reproduktive Modell
legt nahe, dass der zeitliche Verlauf der Fortpfl anzung zwischen den Mündungen von
Unterschieden in den Umweltbedingungen und nicht von genetischer Differentiation
geprägt wird und dass deshalb auch dieses Modell universell anwendbar sein sollte wenn
die entsprechenden Umweltsbedignungen bekannt sind. - Im Gegensatz dazu zeigen
die Wachstumsmodelle, populationsspezifi sche Trends in den Variablen Kohorte und
Jahr. Deshalb kann kein einheitliches Modell für das Wachstum mehrerer Populationen
noch für das verschiedener Kohorten innerhalb einer Population bei der Beurteilung
der Populationsdynamik in verschiedenen Management-Einheiten verwendet werden.
- Rekrutierungs Indices, basierend auf dem Jahreffekt der Lebensraum Modelle, bieten einen robuste Maßstab der relativen Häufi gkeit, selbst in Gegenwart von erheblichen
Veränderungen in den Stichprobenplan, wenn die dardurch entstandene Multikolin-
earität eliminiert werden kann. Die aktuelle Bestandsbewertung kann die interannuelle
Variation in den Kohorte nicht refl ektieren, weil die Management-Einheiten mehrere
Populationen mit diskreten Bevölkerungsentwicklungstrends beinhalten und weil der
proportionale Populationsanteil von Altersgruppen über den Zeitraum von mehren
Jahren ausgewerted wird, so dass die Variation im Kohortensingnal unterbewerted
wird.
Zusammengefaßt können GAMs also wichtige, neue Information aus existierenden
Datensätzen gewinnen und bieten robuste Management-Tools, sofern die Auswertung
der Modell-Eigenschaften ausreichend untersucht und explizit gemacht werden. Ein
stärker integrierter Ansatz für das verbesserte Management von Seatrout in Florida
ist daher möglich, aber der Grad solcher Verbesserungen ist in der Abwesenheit einer
hinreichen detaillierten Bestandsaufnahme und hydrodynamischen Modellen mit der
nötigen räumlichen Aufl ösung noch unklar.Acknowledgments
Acknowledgments
I thank the fi eld crews in the Indian River Lagoon, Charlotte Harbor and Tampa Bay
for collection and processing of samples, and the FWC-FMRI Fisheries Independent
Monitoring Program as a whole for making this work possible. Notable contributors
were Mandy Tyler for assisting with the measurement of 10,000 otoliths, Derek Tremain
and Doug Adams for their detailed knowledge of the sampling and data protocols, Mike
Murphy for his explanation of the management and assessment process, and Sue
Lowere-Barbieri for her knowledge on the biology of the species and our discussions
on the modelling processes.
Great thanks go to professor Schnack for his contributions to the review process and
for dealing with the additional complications in taking me on as a student, such as the
long distances between Kiel and my location in Florida and the UK and the extended
period of completion. I would also like to thank Andy Payne for his continued support
and unrelenting pressure to drive this work to completion, as well as his detailed review
of the manuscript and helpful comments for improvement of the work. I would also
like to thank the anonymous reviewers of the publications arising from this study for
their improvements to the manuscripts and the underlying scientifi c approach to these
complex questions.
Lastly, I have to thank my parents for my scientifi c schooling from an early age and the
unwavering belief and support in this often diffi cult and laborious process.
The dissertation was supported in part by the funding from the Department of the
Interior, U.S. Fish and Wildlife Service, Federal Aid for Sportfi sh Restoration Project
Number F-96 and Florida Saltwater Fishing License Monies.

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