Size Spectra as a tool to understand structures and processes of aquatic communities

Abstract

Aquatische Gemeinschaften sind stark körpergrößenstrukturiert mit einer exponentiellen Abnahme der Häufigkeit der Individuen mit zunehmender Körpergröße, die als Größenspektrum (SS) bezeichnet wird. Körpergrößenbasierte Ansätze bieten eine einfache und kostengünstige Methode zur Beantwortung komplexer ökologischer Fragestellungen in aquatischer Forschung. Widersprüchliche Ergebnisse zu den wichtigsten Faktoren, die Größenspektren beeinflussen unterstreichen jedoch die Notwendigkeit weiterer Studien. Um einige dieser widersprüchlichen Schlussfolgerungen anzugehen, habe ich eine Reihe von Fragen in den Bereichen Limnologie und Korallenriffökologie untersucht. In dieser Dissertation wurden größenbasierte Ansätze wie SS verwendet, um zu untersuchen, (i) was die Größenverteilung von Zooplankton beeinflusst und ob Zooplankton-fressende Fische (topdown) oder Ressourcenverfügbarkeit und Umweltbedingungen (bottom-up) die SS der Zooplanktongemeinschaft bestimmen, (ii) ob traditionelle Schleppnetze oder moderne hydroakustische Methoden Fisch-SS zuverlässiger darstellen, und (iii) ob SS von Korallenriff- Fischgemeinschaften und die strukturelle Komplexität der Korallen bzw. deren Beziehung zueinander sich unter verschiedenen anthropogenen Stressoren verändert. Zuallererst konnte ich zeigen, dass weder Top-down- noch Bottom-up-Kräfte stark die Größenverteilung der Zooplanktongemeinschaft beeinflussten. Zooplankton SS scheinen robust gegenüber Prädationseffekten zu sein, aber ein empfindlicher Indikator für die Energieverfügbarkeit und Transfereffizienz im Nahrungsnetz des untersuchten Sees. Des Weiteren konnten meine Studien bestätigen, dass hydroakustische Methoden die SS von pelagischen Fischgemeinschaften zuverlässig darstellen, was sie zu einer kostengünstigen und minimalinvasiven Alternative zu traditionellen Fischentnahmemethoden macht. Ich konnte jedoch kein allgemeingültiges Muster hinsichtlich der Größenverteilung von Korallenrifffischen und der strukturellen Komplexität der Korallen in Beziehung zu unterschiedlichen anthropogenen Stressoren finden. Insgesamt zeigt die Dissertation das weite Anwendungsspektrum von SS, um Strukturen und Prozesse in aquatischen Gemeinschaften und Fischfangmethoden zu untersuchen. Die hohe Variabilität von Größenspektren und der Einfluss von Umweltbedingungen unterstreicht weiter die Wichtigkeit, Daten über einen langen Zeitraum einzubeziehen. Darüber hinaus unterstreichen die Ergebnisse dieser Arbeit auch die Grenzen der Anwendung von SS, da für die Beantwortung mancher ökologischer Fragestellungen artenspezifische Informationen, wie Lebensraum- und Nahrungspräferenzen benötigt werden.

Aquatic communities are highly body-size structured with an exponential decline of abundance with increasing body size, which is referred to as the size spectrum (SS). The importance of body size as a principal and simplifying framework within aquatic communities, has led to a high number of theoretical and empirical studies on energy fluxes in food webs and predatorprey interactions using Size Spectra. These size-based approaches offer a rather simple and inexpensive method to answer complex ecological questions. However, conflicting findings on the key drivers of SS highlight the need for further studies. To address some of these conflicting conclusions, I investigated a range of questions within the fields of limnology and coral reef ecology. In this thesis size-based approaches such as SS were employed to explore (i) what drives zooplankton size distribution and whether zooplanktivorous fish (top-down) or resource availability and environmental condition (bottom-up) determine zooplankton community SS, (ii) whether traditional midwater trawling or modern hydroacoustic methods more reliably represent fish SS, and (iii) coral reef fish community SS and habitat structural complexity and their relationship across site-specific anthropogenic stressors. By analysing long term data, I first found that neither top-down or bottom-up forces drove the zooplankton community size distribution. Zooplankton SS seem robust against predation effects but a sensitive indicator for lake-wide energy availability and transfer efficiency in the food web. Then I found that hydroacoustic methods reliably represent pelagic fish community SS, making it a great alternative to traditional and more invasive fish removal sampling methods. Finally, I discovered that coral reef fish SS slope and structural complexity of the reef exhibited a significant negative relationship on two of the examined reef sites which are least exposed to anthropogenic disturbances. A consistent pattern of fish SS and reef complexity was missing, indicating that other environmental factors may also impact the assessed parameters. Overall, my studies show the range of applications of SS to effectively answer universal questions from trophic interactions and the importance of habitat characteristics in a community to a methodological comparison of fish sampling methods. The high variability of SS behaviour and the influence of environmental conditions further underlines the importance to include data on a large temporal scale. Community information, such as taxonomic identity and consideration of species-specific feeding and habitats preferences, for example, are still beneficial in some cases to answer ecologically questions extensively.