Dynamics and pressures in German North Sea fisheries: from identification to simulation

German. Die Nordsee ist seit Jahrhunderten ein globaler Hotspot für anthropogene Aktivitäten, wie z.B. der Fischerei. Seit jeher haben sich Fischer an fluktuierende Fischbestände, neue Fischereibestimmungen und steigende Fischereikosten angepasst. Der Wettbewerb um Raum mit Offshore-Windparks (OWPs) und gebietsbezogenen Naturschutzmaßnahmen stellt einen relativ neuen Stressfaktor für die Fischerei dar. In dieser Dissertation wende ich quantitative Methoden an, um das Ausmaß des Drucks auf die Fischerei in der südlichen Nordsee mit Schwerpunkt auf den deutschen Flotten aufzuzeigen. Darüber hinaus präsentiere ich mögliche Strategien für eine Milderung negativer Konsequenzen sowie Einblicke in das Fischereiverhalten, die für ein effektives Management notwendig sind. Die Überlagerung räumlicher Polygone von OWPs und Naturschutzmaßnahmen mit Fischereiaufwandsdaten, beleuchtet und quantifiziert den schrumpfenden freien marinen Raum. Nach derzeitigen Plänen werden bis 2040 60.000 km2 der Nordsee mit OWPs bedeckt sein, was eine fünffache Zunahme des Konfliktpotenzials für die Fischerei bedeutet (Kapitel I). Weitere Stressfaktoren werden in einer Studie über die deutsche Kaisergranat-Fischerei (Nephrops norvegicus) deutlich. Zum einen erschwert der Brexit die Bedingungen für Deutschland Kaisergranat-Quoten zu erlangen und zum anderen besteht das Risiko einer Erschöpfung einzelner Kaisergranat-Populationen durch Überfischung (Kapitel II). Darüber hinaus könnten durch die Kombination von Fangverbotszonen und geplanten OWPs bis 2040 45 % der deutschen Fanggebiete für Kaisergranat nicht mehr für die Fischerei zur Verfügung stehen. Eine andere Perspektive auf OWPs zeigen wir in Kapitel III, in dem meine Ko-Autoren und ich internationalen Fischereiaufwand und Versuchsfänge von Taschenkrebsen in und um OWPs analysiert haben. Unsere Ergebnisse zeigen einen erhöhten internationalen Fischereiaufwand mit passivem Fanggerät in der Nähe einiger OWPs, was auf mögliche Vorteile für die Fischerei hindeutet. Zusammen mit den Erkenntnissen aus den Versuchsfängen zeigt eine wirtschaftliche Break-Even-Analyse die Durchführbarkeit von Co-Use Strategien für die Fischerei mit passivem Fanggerät in OWPs. Die Reaktion von Fischern auf o.g. Veränderungen vorherzusehen ist schwierig und stellt eine große Unsicherheitsquelle für das Fischereimanagement dar. Nur wenn die wichtigsten Verhaltensmotivationen von Fischern bekannt sind, kann Management nachhaltig gestaltet werden. Durch die Kombination von ökologischen, ökonomischen und kulturellen Informationen und der Anwendung von maschinellem Lernen, habe ich Faktoren identifiziert, die den räumlichen und zeitlichen Fischereiaufwand für drei deutsche Flotten wesentlich beeinflussen (Kapitel IV). Die Ergebnisse zeigen, dass Umweltfaktoren bei allen Flotten eine große Rolle spielen, während wirtschaftliche und kulturelle Faktoren nur für einer Flotte relevant sind. Dieser Unterschied verdeutlicht die Notwendigkeit, die Heterogenität der Fischer in wissenschaftlichen Modellen und im Fischereimanagement zu berücksichtigen. Auf der Grundlage von Ergebnissen und Datenprodukten der ersten vier Kapitel habe ich ein agentenbasiertes Modell (FISHCODE) entwickelt, das die deutsche Fischerei in der südlichen Nordsee, unter Betracht von komplexem menschlichen Entscheidungsprozessen, simuliert (Kapitel V). Nach dem Test der Modellfunktionalität und der Validierung habe ich FISHCODE angewandt, um Szenarien zu erhöhten Treibstoffpreisen, der Ausweitung von OWPs und Naturschutzgebieten sowie dem Verbot von elektrischem Impulsfanggerät zu testen (Kapitel VI). Die Ergebnisse zeigen geringere Fischereigewinne in allen Szenarien, wobei die Treibstoffpreise bei weitem die stärksten Auswirkungen haben. Ein weiteres Ergebnis ist die Verlagerung von Fischereiaufwand in kleinere Gebiete, wobei der daraus resultierende höhere Fischereidruck negative Auswirkungen auf die Meeresökosysteme haben könnte. Zusammen mit den jüngsten politischen Entwicklungen wie dem Brexit, dem Risiko von Überfischung und den steigenden Treibstoffpreisen wird der Wettbewerb um verfügbaren marinen Raum eine große Herausforderung für die Nordseefischerei darstellen. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen dazu bei, die Ungewissheit über den künftigen Zustand des Fischereisektors aufzudecken. Des Weiteren zeige ich Wissenslücken auf, wie z.B. die Auswirkungen von OWPs auf die Umwelt sowie den Bedarf an öffentlich zugänglichen Fischereidaten mit hoher räumlicher Auflösung. Fischereimanagement sollte in einem partizipativen Prozess gestaltet werden, um die Rentabilität des Fischereisektors in Koexistenz mit anderen marinen Raumakteuren, z. B. dem Naturschutz, zu gewährleisten. Die Berücksichtigung der Heterogenität von Fischern ist der Schlüssel zu effektivem Management und mariner Raumplanung.

English. For centuries, the North Sea has been a global hotspot for anthropogenic activities, including fisheries. Fishers have adapted to fluctuating fish stocks, new marine management regimes, and increasing fishing costs, but the competition for space with offshore wind farms (OWF) and area-based conservation measures is a relatively new pressure. Within this doctoral thesis, I apply quantitative methods to reveal the extent of pressures for the southern North Sea fisheries with emphasis on German fleets. Moreover, I present possible mitigation strategies, and insights into fishing behavior necessary for effective management. My co-authors and I quantified the race for space triggered by expanding OWFs and no-take zones by overlapping them with spatial fishing effort data. According to current plans, 60,000 km2 of North Sea waters will be covered with OWFs by 2040, representing a 5-fold increase of conflict potential between fisheries and OWFs (Chapter I). A study on German vessels targeting Nephrops (Norway lobster; Nephrops norvegicus), revealed a coverage of German fishing grounds of up to 45% when OWFs and no-take zones are considered. Moreover, we highlighted other stressors such as potential difficulties for obtaining Nephrops quota due to Brexit and the risk for overfishing individual Nephrops populations (Chapter II). Another perspective on OWFs is offered in Chapter III, in which we analyzed international fishing effort and experimental catches for brown crab in and around OWFs. Our results show increased levels of international fishing effort with passive gears in the vicinity of some OWFs, suggesting potential benefits for fisheries. Together with findings from the experimental catches, an economic break-even analysis demonstrates the feasibility of co-use fishing for brown crab with passive gears. Foreseeing the reaction of fishers to changes is challenging and introduces a large source of uncertainty to fisheries management. Only by knowing the fisher’s key behavioral motivations can management be drafted in a sustainable way. Therefore, I combined environmental, economic, and cultural information, and applied machine learning techniques to find factors that were substantially driving spatio-temporal fishing effort for three German fleets (Chapter IV). The results show a high importance of environmental factors for all fleets, while economic and cultural drivers only affected one fleet. This difference highlights the need for considering fishers’ heterogeneity in scientific fisheries models and management. Based on results and data products of the first four chapters, I developed an agent-based model (FISHCODE) simulating German southern North Sea fisheries involving complex human-decision making (Chapter V). After testing for model functionality and validation, I applied FISHCODE by testing scenarios of raised fuel prices, expanding OWFs and no-take zones, and the ban of electric pulse gear (Chapter VI). Results indicate lower profits in all scenarios, although fuel prices had by far the strongest effect. Additionally, fishing effort becomes displaced towards smaller areas, with the resulting increase in fishing pressure potentially having negative effects for marine ecosystems. Together with recent political developments such as Brexit, the risk of overfishing, and rising fuel prices, spatial competition will be a major challenge for North Sea fisheries. Findings of this thesis help to uncover uncertainty about the future state of the fishing sector and identify knowledge gaps such as the impact of OWFs on the environment and the need for publicly available fisheries data on high spatial resolution. Management should be drafted in a participatory process to ensure the profitability of the fishing sector in co-existence with other marine spatial actors, i.e. nature conservation. Factoring in the heterogeneity of fishers is key for efficient management and marine spatial planning.