Die fortschreitende Erwärmung des Michigansees erhöht seine Anfälligkeit für asiatische Karpfen, zum Teil dadurch, dass sie die Fähigkeit der Quagga-Muscheln verringert, als ökologische Barriere gegen die gefräßigen algenfressenden Fische zu wirken, so eine neue Studie unter Leitung der University of Michigan.
Asiatische Karpfen und die Billionen von Quagga-Muscheln, die den Boden des Michigansees bedecken, konkurrieren um die gleiche Nahrung – Algen und andere Arten von Plankton. Einige Forscher der Großen Seen haben vorgeschlagen, dass die fingernagelgroßen Weichtiere dazu beitragen könnten, dass die invasiven Fische nicht Fuß fassen können.
Verlassen Sie sich nicht darauf, so die Autoren der neuen Computermodellstudie. Selbst im besten Fall wäre die Fähigkeit der Muscheln, den asiatischen Karpfen abzuwehren, zeitlich und räumlich begrenzt, und sowohl die Klimaerwärmung als auch die Nährstoffverschmutzung könnten die schützende Rolle der Muscheln verringern, so die Forscher.
Die neue Studie wurde von Forschern des Cooperative Institute for Great Lakes Research der U-M und des Great Lakes Environmental Research Laboratory der National Oceanic and Atmospheric Administration geleitet und soll am 7. Juli in der Zeitschrift Biological Invasions veröffentlicht werden. Die Studie konzentriert sich auf die beiden asiatischen Karpfenarten, den Dickkopf- und den Silberkarpfen, die für die Großen Seen am besorgniserregendsten sind.
Die neue Studie baut auf einer Studie auf, die dasselbe Team im vergangenen Jahr in Freshwater Biology veröffentlicht hat und in der festgestellt wurde, dass Dickkopf- und Silberkarpfen im Michigansee ausreichend Nahrung finden können und ein hohes Risiko darstellen, sich dort anzusiedeln.
Peter Alsip
„Unsere neuen Forschungsergebnisse zeigen, dass die Präsenz eines bereits etablierten Nahrungskonkurrenten – der Muscheln – nur begrenzt in der Lage ist, eine Invasion der Großkopf- und Silberkarpfen zu verhindern, und dass die Klimaerwärmung und die Nährstoffanreicherung die Fähigkeit der Muscheln, den Lebensraum der asiatischen Karpfen zu beeinflussen, noch weiter einschränken könnten“, sagte der Hauptautor der Studie, Peter Alsip vom Cooperative Institute for Great Lakes Research.
Alsip, der auch Erstautor des letztjährigen Freshwater Biology-Artikels war, führte die Forschung zum asiatischen Karpfen im Rahmen seiner Masterarbeit an der U-M’s School for Environment and Sustainability durch.
Die neue Studie untersucht, wie sich drei Faktoren – Klimawandel, Nährstoffmanagement und die Ankunft von Zebra- und Quagga-Muscheln – auf die Anfälligkeit des Michigansees für Großkopf- und Silberkarpfen ausgewirkt haben, die derzeit in angrenzenden Wassereinzugsgebieten, aber nicht im See selbst vorkommen.
Die vier Karten zeigen, wie sich die Nährstoffkonzentration von Phosphor und das Vorhandensein bzw. Fehlen von Quagga-Muscheln im Michigansee auf die jährlichen Gewichtsveränderungen von Großkopf- und Silberkarpfen auswirken. Die Karten vergleichen die Bedingungen im See in den 1970er und 1980er Jahren – als sich die Quagga-Muscheln noch nicht etabliert hatten und bevor Anstrengungen zur Verringerung des Nährstoffs Phosphor unternommen wurden und die Werte daher viel höher waren als heute – mit den Bedingungen im Jahr 2010. Bildnachweis: Peter Alsip. Aus Alsip et al. in Biological Invasions, Juli 2020,
https://doi.org/10.1007/s10530-020-02296-4.
Die Simulationen des Teams zu den historischen Bedingungen zeigten, dass der Michigansee in den 1970er und 1980er Jahren für asiatische Karpfen günstiger gewesen wäre, als der Nährstoff Phosphor noch viel höher war und Zebra- und Quaggamuscheln noch nicht etabliert waren. Die Simulationen zeigen, dass der Großkopfkarpfen in den 1980er Jahren etwa zwei- bis fünfmal schneller gewachsen wäre als heute, wobei die höheren Phosphorwerte einen größeren Einfluss hatten als das Fehlen der Muscheln.
Als die Forscher die für die kommenden Jahrzehnte erwartete Klimaerwärmung simulierten, verbesserte sich der Lebensraum des asiatischen Karpfens auf zwei grundlegende Arten.
Die Fische ernährten sich im Frühjahr in wärmeren Gewässern aktiver, und die jährliche „Schichtungsperiode“ im Sommer – wenn sich das Wasser des Sees aufgrund von Temperatur- und Dichteunterschieden in drei verschiedene Schichten aufteilt – begann früher und dauerte länger, wodurch die Zeit, in der die oben fressenden asiatischen Karpfen und die unten lebenden Muscheln in den oberen Teilen der Wassersäule um Nahrung konkurrierten, begrenzt wurde.
Die Oberflächentemperaturen der Großen Seen erwärmen sich bereits schneller als der globale Durchschnitt, wobei sich das Oberflächenwasser des Michigansees um etwa ein halbes Grad Fahrenheit pro Jahrzehnt erwärmt. Dauer und Ausmaß der winterlichen Eisbedeckung in den Großen Seen nehmen ebenfalls ab, und Klimamodelle deuten darauf hin, dass die sommerliche Schichtung im Michigansee und in anderen Seen der nördlichen gemäßigten Zonen in den kommenden Jahren länger wird und früher einsetzt.
Eine frühere Schichtung würde den asiatischen Karpfen begünstigen, da sie den Muscheln den Zugang zu Nahrung in den Oberflächengewässern verwehrt, und sie würde den Fischen auch früher im Jahr einen bisher ungeeigneten Lebensraum im Meer erschließen, so die neue Modellstudie. In den Simulationen des von der U-M geleiteten Teams verdoppelte sich in warmen Jahren die Menge an geeignetem Lebensraum, die Großkopfkarpfen im Frühjahr zur Verfügung steht, und erhöhte sich die Menge an geeignetem Frühjahrslebensraum für Silberkarpfen um fast ein Drittel.
„Eines unserer wichtigsten Ergebnisse ist, dass der Frühling die am stärksten betroffene Jahreszeit ist, und das ist die Zeit, in der die meisten Fischarten im Michigansee ihre planktonfressenden Larvenstadien haben“, sagte Studienmitautor Hongyan Zhang, ein Wasserökologe bei Eureka Aquatic Research in Ann Arbor.
„Daher können Klimaveränderungen und Nährstoffgehalte, die die Ansiedlung des asiatischen Karpfens begünstigen, auch die negativen Auswirkungen des asiatischen Karpfens auf andere Fischarten verstärken“, sagte sie. Zhang, früher an der U-M School for Environment and Sustainability und dem Cooperative Institute for Great Lakes Research tätig, war Alsips Doktorvater.
Der Phosphorgehalt erwies sich als der einflussreichste der drei Faktoren, die in der neuen Studie über die Lebensraumeignung des asiatischen Karpfens im Michigansee analysiert wurden. Die „High P“-Szenarien der Studie führten zu den längsten Wachstumsperioden für asiatische Karpfen, der größten Menge an geeignetem Lebensraum und den höchsten Endgewichten der Fische.
Die Szenarien mit hohem Phosphorgehalt basieren auf der Phosphorbelastung des Michigansees in den 1970er und 1980er Jahren, als die Bemühungen begannen, den Gehalt des algenfördernden Nährstoffs in den Großen Seen zu reduzieren. Die Menge an Phosphor, die aus den Zuflüssen in den Michigansee gelangt, ist seitdem stark zurückgegangen und hat sich seit den 1990er Jahren auf einem konstanten Niveau eingependelt.
Frühere Forschungen deuten jedoch darauf hin, dass Veränderungen in der Landnutzung und der Flusshydrologie infolge der Ausdehnung der Städte und der Landwirtschaft sowie des Klimawandels den Phosphorgehalt im Michigansee in den kommenden Jahrzehnten erhöhen könnten. In der Region der Großen Seen kommt es bereits jetzt häufiger zu intensiven Frühjahrsregenfällen, die Phosphor von Landoberflächen in Bäche und Flüsse spülen können.
Jede Karte zeigt die simulierten Veränderungen in der Anzahl der Wachstumstage des Großkopfkarpfen im Lake Michigan beim Vergleich zweier verschiedener Klimazonen. Die Karte auf der linken Seite vergleicht ein warmes Jahr (1998, das Wassertemperaturen aufwies, die laut Klimamodellen im Zeitraum 2030-2090 zu erwarten sind) mit einem kühlen Jahr (1997, ein Jahr mit einer überdurchschnittlich kalten Winter-Frühlingsperiode, wurde für die Simulationen verwendet). Die mittlere Karte vergleicht ein simuliertes warmes Jahr mit den aktuellen Bedingungen am Michigansee (für die Zwecke dieser Studie entspricht das Jahr 2010 den aktuellen Bedingungen). Die Karte auf der rechten Seite vergleicht die aktuellen Bedingungen mit einem kühlen Jahr. Bildnachweis: Peter Alsip. Von Alsip et al. in Biological Invasions, Juli 2020,
https://doi.org/10.1007/s10530-020-02296-4.Jeder künftige Anstieg des Phosphorgehalts im Lake Michigan würde „nur ein günstigeres Umfeld“ für den asiatischen Karpfen schaffen, so das Fazit der neuen Studie.
„Der interessanteste Aspekt dieser Studie ist für mich, dass von den drei Stressfaktoren, die wir betrachtet haben, die Nährstoffreduzierung des Sees – die durch das Great Lakes Water Quality Agreement vorgeschrieben ist – die Lebensraumeignung für invasive Großkopf- und Silberkarpfen am stärksten verringert hat“, sagte Studienmitautor Ed Rutherford, ein Fischereibiologe am NOAA’s Great Lakes Environmental Research Laboratory.
Die Auswirkungen des asiatischen Karpfens auf bereits eingedrungene Ökosysteme sowie die Nähe der Invasionsfront zum Michigansee haben die Besorgnis über eine mögliche Invasion der Großen Seen über das Chicago Area Waterway System, die von Menschenhand geschaffene Verbindung zwischen dem Illinois River und dem Michigansee, verstärkt. Eine große Sorge ist, dass der asiatische Karpfen die planktonfressenden Fische der Großen Seen – zu denen die Larvenstadien der meisten Fischarten gehören – verdrängen und die 7 Milliarden Dollar schwere Fischereiindustrie der Region zerstören könnte.
Im vergangenen Jahr übermittelte das U.S. Army Corps of Engineers dem Kongress einen Plan zur Installation von Karpfenschutzvorrichtungen an der Brandon Road Lock and Dam in der Nähe von Joliet, Illinois, etwa 40 Meilen vom Michigansee entfernt. Die acht Gouverneure der USA und zwei kanadische Premierminister befürworteten den Plan. Das Projekt, das mehr als 800 Millionen Dollar kosten könnte, muss jedoch noch vom Kongress genehmigt werden.
Die anderen Mitautoren des Papiers über biologische Invasionen sind Mark Rowe und Doran Mason vom Umweltforschungslabor der NOAA für die Großen Seen, Catherine Riseng von der U-M School for Environment and Sustainability und Zhenming Su vom Institut für Fischereiforschung, einer kooperativen Einheit des Michigan Department of Natural Resources und der University of Michigan.
Die Studie wurde durch das Michigan Sea Grant Graduate Research Fellowship finanziert, und das Institut für Fischereiforschung stellte entsprechende Mittel zur Verfügung. Weitere Unterstützung kam von Michigan Sea Grant, dem Institut für Fischereiforschung, dem Cooperative Institute for Great Lakes Research und dem NOAA’s Great Lakes Environmental Research Laboratory.