North Atlantic cod recovery under climate change and exploitation pressure, a non-linear approach

Deteriorated marine ecosystems are the results of the impact of a multitude of human pressures, such as fisheries exploitation and human-induced climate change, and have pushed the introduction of comprehensive policies to manage the resources. These policies are built on the ecosystem based management framework. Measures to recover depleted stocks in order to guarantee sustainable fisheries in the future and safe and productive fish populations have been introduced. However, after many years of management, many stocks such as Atlantic cod (Gadus morhua), are still depleted and far from safe biological limits, suggesting the presence of complex stock dynamics, and posing doubts on their recovery potential. Over my PhD, using data from 20 Atlantic cod stocks distributed all over the North Atlantic, I have evaluated the recovery potential of Atlantic cod stocks under climate change and exploitation pressure, and whether the recovery could be hindered by discontinuous dynamics. Applying a range of non-linear methods, I show that cod stocks present discontinuous and catastrophic dynamics hindering their recovery and resulting in lower productivity under climate change. Moreover, I uncover these dynamics not only in biomass but also in population processes such as recruitment. I demonstrate that catastrophic transitions have occurred and that, most of the stocks present very low resilience and are currently in a low and unsafe biomass state far from historical levels. Temperature increase, a proxy for ecosystem changes, and unsustainable exploitation are the drivers of these shifts and therefore under climate change, the recovery of the stocks seems unlikely. Moreover, recruitment is highlighted as one of the fundamental processes to achieve a population rebounding, but it is also negatively (on average) influenced by climate change. These results are fundamental from a management perspective because: i) they reveal non-linear discontinuous dynamics that are difficult to uncover but necessary to incorporate into management, ii) they highlight the role of climate change in limiting the productivity of Atlantic cod stocks, thus suggesting that new ecosystems structure might need to be expected in the future, and that recovery of the stocks might be unachievable in some areas, iii) they identify possible recovery mechanisms, thus giving the possibility to understand where the management action should be taken and what processes should be mainly managed and iv) they show how novel methods could be applied to Atlantic cod stocks management and also on other marine stocks (i.e. herring). Thus, these results can help define new achievable stocks´ reference points considering changing ecosystems and especially climate change. The methods used here can improve future population predictions and can define stressors´ thresholds levels to avoid in order to guarantee resilient and healthy fish populations and thus sustainable fisheries in the future. Therefore, my thesis on Atlantic cod stocks recovery gives new perspectives and new starting points to develop a more efficient ecosystem based management in the face of discontinuous behaviours. Geschadigte Meeresokosysteme sind das Ergebnis einer Vielzahl anthropogener Belastungen, wie u.a. der Nutzung fischereilicher Ressourcen und dem vom Menschen verursachten Klimawandel. Zur Bewirtschaftung dieser Ressourcen wurde die Einfuhrung umfassender Richtlinien, basierend auf dem okosystemgestutzten Managementansatz, stark vorangetrieben. Masnahmen zur Wiederauffullung erschopfter Bestande wurden implementiert, um zukunftig eine nachhaltige Fischerei sowie sichere und produktive Fischbestande zu gewahrleisten. Dennoch sind viele Bestande wie der Kabeljau (Gadus morhua) trotz jahrelangem Management immer noch erschopft und weit entfernt von sicheren biologischen Grenzen. Dieses deutet auf eine komplexe Bestandsdynamik hin und stellt das Erholungspotenzial dieser Bestande in Frage. Im Rahmen meiner Doktorarbeit nehme ich eine Bewertung des Erholungspotentials von Atlantik-Kabeljaubestanden unter dem Einfluss des Klimawandels sowie des Nutzungsdrucks vor. Ferner soll herausgefunden werden, ob eine Erholung der Bestande durch eine diskontinuierliche Dynamik behindert werden konnte. Um dieses Beurteilung vorzunehmen, verwende ich Daten von 20 Kabeljaubestanden, welche uber den gesamten Nordatlantik verteilt sind. Mit einer Reihe nichtlinearer Methoden zeige ich, dass Kabeljaubestande unter dem Einfluss des Klimawandels eine diskontinuierliche und katastrophale Dynamik aufweisen, die u.a. ihre Erholung behindert und zu einer geringeren Produktivitat fuhrt. Daruber hinaus belege ich, dass diese Dynamiken nicht nur in der Biomasse, sondern auch in Populationsprozessen wie der Rekrutierung auftreten. Ich zeige, dass katastrophale Ubergange bei nordatlantischen Kabeljau-Bestanden stattgefunden haben. Zudem lege ich dar, dass eine Vielzahl dieser Bestande eine sehr geringe Widerstandsfahigkeit aufweist und sich derzeit in einem niedrigen sowie unsicheren Biomassezustand befindet, der weit vom historischen Niveau entfernt ist. Der Temperaturanstieg, welcher ein Indikator fur Veranderungen von Okosystemen darstellt, sowie eine nicht nachhaltige Bewirtschaftung sind die Treiber dieser Veranderungen. Daher ist die Erholung der Bestande angesichts des Klimawandels unwahrscheinlich. Daruber hinaus wird die Rekrutierung als einer der grundlegenden Prozesse fur eine Erholung der Population hervorgehoben, ist jedoch auch (im Durchschnitt) negativ durch den Klimawandel beeinflusst. Aus Sicht des Managements sind diese Ergebnisse von fundamentaler Bedeutung, weil: i) sie nichtlineare diskontinuierliche Dynamiken beleuchten, die schwer aufzudecken sind, jedoch in das Management integriert werden mussen, ii) sie die Rolle des Klimawandels bei der Begrenzung der Produktivitat der Kabeljau-Bestande im Atlantik unterstreichen, was darauf hindeutet, dass in Zukunft moglicherweise neue Okosystemstrukturen zu erwarten sind und dass eine Erholung der Bestande in einigen Gebieten moglicherweise nicht zu erreichen ist iii) sie mogliche Erholungsmechanismen darstellen und so die Moglichkeit bieten, zu verstehen, wo welche Managementmasnahmen ergriffen werden mussen und welche Prozesse hauptsachlich gesteuert werden sollten und, iv) sie darlegen, wie neuartige Methoden auf die Bewirtschaftung von atlantischem Kabeljau sowie auch auf andere marine Fischbestande (z. B. Hering) angewendet werden konnten. In Bezug auf sich verandernde Okosysteme und insbesondere den Klimawandel tragen diese Ergebnisse dazu bei neue Referenzpunkte fur Bestande zu definieren. Zudem konnen die angewandten Methoden zu einer Verbesserung der Populationsvorhersagen fuhren sowie Schwellenwerte fur Stressfaktoren festlegen, um somit eine resiliente und gesunde Fischpopulation zu erreichen. Eine nachhaltige Fischerei kann so zukunftig gewahrleistet werden. Meine Thesis, die sich mit der Erholung der Kabeljau-Bestande im Nordatlantik befasst, konnte neue Perspektiven und Ansatzpunkte fur die Entwicklung eines effizienteren okosystemgestutzten Managements, basierend auf diskontinuierlicher Verhaltensweisen, bieten.