Modeling the Effects of Fishing and Implications for the Design of Marine Protected Areas: Juvenile Fish Responses to Variations in Seafloor Habitat

: A number of recent studies have linked post-settlement survivorship of Atlantic cod ( Gadus morhua) with the complexity of the seafloor to which fish settle. Survivorship is greater in habitats of higher complexity (e.g., pebble-cobble substratum with emergent epifauna> pebble-cobble> sand), where cover provides shelter from predators. Fishing with mobile gear such as bottom trawls and dredges reduces the complexity of seafloor habitats. We used a dynamic model to (1) link patterns in habitat-mediated survivorship of post-settlement juvenile cod with spatial variations in habitat complexity, (2) simulate habitat change based on fishing activities, and (3) determine the role of marine protected areas in enhancing recruitment success. Density-dependent natural mortality was specified as three alternative functional response curves to assess the influence of different predator foraging strategies on juvenile survivorship during the first 12 months of demersal existence. We applied the model to a theoretical patch of hard-bottom substrata and to a case study based on seafloor habitat distributions at Stellwagen Bank National Marine Sanctuary (Gulf of Maine, Northwest Atlantic). Our results demonstrate that patterns in the shape of response surfaces that show the relationship between juvenile cod survivorship and density as well as movement rate were similar regardless of functional response type, that juvenile cod movement rates and post-settlement density were critical for predicting the effects of marine protected-area size on survivorship, and that habitat change caused by fishing has significant negative effects on juvenile cod survivorship and use of marine protected areas can ameliorate such effects. Resumen: Estudios recientes han relacionado la sobrevivencia post-establecimiento del bacalao del Atlantico (Gadus morhua) con la complejidad del fondo en el que se establecen los peces. La sobrevivencia es mayor en habitats con mayor complejidad (e.g., substrato con guijarros con epifauna emergente> guijarros> arena) en los que la cubierta protege contra depredadores. La pesca con equipo movil (e.g., redes de arrastre y dragas) reduce la complejidad de los habitats del fondo marino. Utilizamos un modelo dinamico para (1) relacionar patrones de sobrevivencia post-establecimiento de juveniles de bacalao con las variaciones espaciales en la complejidad del habitat, (2) simular cambios en el habitat con base en actividades pesqueras y (3) determinar el papel de las areas marinas protegidas en el incremento del exito en el reclutamiento. La mortalidad natural denso-dependiente se especifico en tres curvas de respuesta funcional alternativas para evaluar la influencia de las distintas estrategias de depredacion en la sobrevivencia de juveniles durante los primeros 12 meses de existencia demersal. Aplicamos el modelo a un mosaico teorico de substratos duros y a un estudio de caso basado en la distribucion de habitats de fondo en el Stellwagen Bank National Marine Sanctuary (Golfo de Maine, Atlantico Noroccidental). Nuestros resultados muestran que: a) hay similitud entre los patrones en la forma de superficies de respuesta que tienen relacion entre la sobrevivencia de los peces juveniles y la densidad asi como la tasa de movimiento, independientemente del tipo de respuesta funcional; b) las tasas de movimiento y la densidad post-establecimiento fueron criticas para la prediccion de los efectos de la extension del area marina protegida sobre la sobrevivencia; c) los cambios en el habitat por actividades pesqueras mostraron efectos negativos significativos en la sobrevivencia de juveniles de bacalao y d) el uso de areas marinas protegidas puede reducir tales efectos.