Climate-induced variability in northern Baltic Sea zooplankton - Assessing driving forces and effects on higher trophic levels

Abstract

During the recent decades, alterations in the northern Atlantic climate conditions have resulted in major modifications in the environmental conditions of the Baltic Sea that allows for a unique opportunity to assess species responses to climate-induced changes in the ecosystem.

In this thesis, I examined long-term changes in the northern Baltic zooplankton community in comparison to changes in seawater salinity and temperature. In addition, I estimated how the bottom-up changes in the Bothnian Sea have manifested themselves at higher trophic levels by using the Baltic herring (Clupea harengus membras) and its preferred prey species, a freshwater copepod Limnocalanus macrurus, as case examples.

I found that in the northern Baltic Sea major modifications in the salinity and temperature have resulted in concomitant changes in zooplankton species dynamics and community structure. In the Archipelago Sea, the freshening and warming of water have been favorable to most small-bodied brackish-water taxa and unfavorable to marine taxa. Moreover, the hydrography changes have also resulted in earlier peaks in the timing of phytoplankton and brackish-water taxa. In the Bothnian Sea, the results showed that L. macrurus has both large lipid reserves and occurs in high abundance during spring-early summer, when the energy requirements of herring are high. Later during summer, the descent of adult L. macrurus to deeper water levels coincided with a decrease in its abundance and lipid store size, indicating that at least part of the population suffered from starvation. The results also implied that while the warming and freshening of water have indirectly improved herring condition and thereby enabled the positive development of the herring stock, the changes have also increased the energy consumption of fish and caused a decline in the availability of prey resulting in a reduction of its lipid reserves.

In conclusion, during the past decades, the climate-induced changes in seawater salinity and temperature seem to have resulted in various changes in the northern Baltic ecosystem, which in the zooplankton data are manifested as a decrease of marine species and shifts in brackish-water species phenology. In the Bothnian Sea, the changes in the physical environment seem to have caused both indirect and direct effects on the energy cycles, which in the monitoring data appear as a decline in the lipid content as well as a decline in herring body size. The results of my thesis provide new information on the food web dynamics that can be used for further research and highlight the importance of long-term environmental monitoring to foresee climate-induced changes in the ecosystem and to provide an accurate picture of the trophodynamics.

Pitkäaikaismuutokset Pohjois-Itämeren eläinplanktonissa - säätelymekanismien ja ravintoverkkovaikutusten arviointia

Pohjois-Atlantin ilmastollisissa tekijöissä tapahtuneen vaihtelun seurauksena Itämeren ympäristöolosuhteissa on viime vuosikymmeninä tapahtunut muutoksia, joiden ansiosta on mahdollista takautuvasti tutkia lajien sopeutumista käynnissä oleviin ympäristömuutoksiin.

Väitöskirjassani tutkin Pohjois-Itämerellä vallitsevien eläinplanktonlajien ja yhteisön rakenteen pitkäaikaismuutoksia suhteessa meriveden suolapitoisuuden ja lämpötilan vaihteluun. Tarkastelemalla Saaristomerellä kutevaa silakkaa (Clupea harengus membras) ja makean veden Limnocalanus macrurus-hankajalkaista esimerkkitapauksina, tutkin myös miten ympäristöolosuhteissa ja ravintoverkon pohjalla tapahtuneet muutokset ovat vaikuttaneet ravintoverkon ylemmillä tasoilla.

Tutkimuksissani havaitsin, että eläinplanktonyhteisön koostumus on muuttunut yhtäaikaisesti meriveden makeutumisen ja lämpenemisen kanssa. Saaristomerellä nämä vedenlaadun muutokset ovat pääsääntöisesti olleet suotuisia pienikokoisille murtovesilajeille ja epäsuotuisia merilajeille. Runsausmuutosten lisäksi myös vuodenaikaisuudessa on tapahtunut vaihtelua, joista ilmeisin on kasviplankton- ja murtovesilajien aikaistunut esiintyminen. Tutkimukseni osoitti myös, että runsaat rasvavarastot omaava L. macrurus esiintyy Selkämerellä erittäin runsaana alkukesällä, jolloin silakan energiantarve on myös suuri. Loppukesällä, lajin siirtyminen syvemmälle oli yhteydessä aikuisten rasvavarastojen pienenemiseen ja lajirunsauden laskuun mahdollisesti ravinnonpuutteen aiheuttaman nälkiintymisen vuoksi. Tulokseni viittaavat myös siihen, että ilmastonmuutoksen aiheuttamat ympäristövaikutukset Selkämerellä ovat toisaalta mahdollistaneet silakkakannan positiivisen kehittymisen ja parantaneet silakan laatua ravintona, mutta toisaalta pienentäneet sen energiavarastoja lisäämällä kalojen talviaikaista energiankulutusta ja vähentämällä käytettävissä olevan ravinnon määrää.

Väitöskirjani tutkimukset osoittavat, että viime vuosikymmenien vedenlaadun muutokset ovat aiheuttaneen monenlaisia muutoksia Pohjois-Itämeren ravintoverkossa, jotka Saaristomeren eläinplanktonyhteisössä näkyvät erityisesti merilajien vähentymisenä ja murtovesilajien vuodenaikaisuuden muutoksina. Selkämerellä, näillä muutoksilla näyttää olleen sekä suoria että epäsuoria vaikutuksia ravintoverkon energiavirtoihin, jotka seuranta-aineistossa näkyvät sekä silakkapopulaation rasvapitoisuuden että ruumiinkoon pienentymisenä. Väitöskirjatutkimukseni tulokset antavat uutta tietoa Saaristomeren ja Selkämeren alueilla viime vuosikymmeninä tapahtuneista ympäristömuutoksista ja painottavat pitkäaikaisen ympäristöseurannan merkitystä ilmastonmuutoksen aiheuttamien muutosten ymmärtämiseksi.