Temperature selectivity in Icelandic and Northeast-Arctic cod

Abstract

Increasing water temperatures are predicted worldwide, with high amplitudes in the Arctic and sub-Arctic regions exceeding predictions for other regions. An understanding how Atlantic cod (<i>Gadus morhua<i>) reacted to changing environmental conditions in the past is essential for predicting re-distribution under climate change. In this thesis, I examined the temperature selectivity of Icelandic and Northeast-Arctic (NEA) cod in response to fluctuating temperature conditions and changes in the stock dynamics. Multiple century-long data time series and linear mixed-effect models were used to investigate the effect of fluctuating water temperatures and changes in stock dynamics on the temperature selectivity of cod, using stable oxygen isotope composition in otoliths as a proxy of ambient temperature. Icelandic cod δ<sup>18<sup>O<sub>otolith<sub> values were significantly correlated with water temperature time series, indicating that they were exposed to fluctuating water temperatures during the past 100 years and did not move appreciably in response to increasing ocean temperatures. Furthermore, abundance changes have affected the temperature selectivity of Icelandic and NEA cod as a density-driven response; however, the response of the two populations was different. Increasing abundance resulted in increasing intraspecific competition and decreasing individual fitness levels, which expanded the distribution area of both cod stocks into previously unfavorable thermal habitats. To validate the accuracy of high-resolution otolith isotopic records as a temperature proxy, stable oxygen isotope records of wild, free-swimming Icelandic cod tracked with data-storage tags (DST) were analyzed with high-resolution secondary-ion mass spectrometry (SIMS). Results demonstrated that the method is well-suited as a relative index of temperature exposure, although maximum ambient temperatures were often overestimated. Using century-long data time series and oxygen isotope chronologies of cod otoliths have markedly improved our understanding of the Icelandic and NEA cod temperature selectivity. Thus, this thesis provides important information that helps to predict how two commercially important cod stocks might respond to global warming and fluctuating stock dynamics.

Hækkandi sjávarhita er nú spáð um allan heim og á norðurslóðum er auk þess búist við meiri hitasveiflum en annars staðar. Betri skilningur á viðbrögðum Atlantshafsþorsks (<i>Gadus morhua<i>) við breyttum umhverfisaðstæðum á liðnum áratugum opnar möguleika á að spá fyrir um mögulega breytta dreifingu þorskins á tímum loftslagsbreytinga. Hér er greint frá rannsóknum þar sem leitast var við að skýra hvort og hvernig þorskar af íslenska stofninum og norðaustur heimsskautsstofninum bregðast við breytingum á hitastigi sjávar og stofnstærð. Gagnasett með mælingum 100 ár aftur í tíman ásamt línulegum líkönum með blönduðum áhrifaþáttum voru notuð til þess að meta hvort stofnstærð og sjávarhiti hafi áhrif á hitastigsval einstaklings, sem hægt er að meta með stöðugum ísótópum súrefnis. Marktæk fylgni fannst milli δ<sup>18<sup>O gilda íslenska þorskins og sjávarhita yfir tíma, sem bendir til þess að þorskurinn hafi verið útsettur fyrir sveiflukenndum sjávarhita síðastliðin 100 ár, en virðist ekki hafa hörfað að marki frá hækkandi hitastigi. Aukinn stofnþéttleiki á svæðum með kjörhita getur leitt til aukinnar samkeppni og minnkandi hæfni einstaklinga en slíkt getur valdið því að sumir einstaklingar leiti á önnur óhagstæðari hitastigs mið. Gögn okkar benda til þess að slíkt hafi átt sér stað í báðum stofnunum, þrátt fyrir ólík viðbrögð. Til frekari staðfestingar á notagildi kvarna til að varpa ljósi á hitastig sjávar á mismunandi stigum lífsferils voru ísótópar súrefnis mældir í kvörnum þorska sem á voru fest gagnasöfnunarmerki (DST-tag) sem mæla hitastig og dýpi. Í þessu tilfelli voru ísótópar í vaxtarhringjum kvarna mældir með meiri upplausn í nákvæmum massalitrófsgreini (SIMS) sem staðfesti að þessar aðferðir eru vel til þess fallnar að meta hitastig sjávar sem fiskar hafa dvalið í aftur í tíman, þó svo að hámarks hiti sé gjarnan ofmetin. Rannsóknirnar sýna hvernig nota má mælingar á ísótópum súrefnis í árhringjum kvarna ásamt sambærilegum langtímagögnum um hitastig sjávar og stofnsveiflur til þess að greina hvernig þessir þættir hafa áhrif á hitastigsval þorsks. Slíkar upplýsingar munu reynast gagnlegar við að spá fyrir um hvernig þorskstofnar bregðast við hnattrænni hlýnun og stofnsveiflum.