Trophic dynamics of fisheries resources in coastal ecosystems of Korea: Application of stable isotope and stomach content analyses

Abstract

Despite its importance, fish food web structure and feeding ecology have been relatively less researched. The research aimed to provide new insights into trophic relationships and feeding strategies within fish assemblages sampled in Korean coastal areas located in the western North Pacific since the study of food webs allows a better understanding of ecosystems. This dissertation assessed seasonal variation in the food-web structure and ecological interaction of fish assemblages in the East and South Seas of Korea, a large coastal ecosystem that has recently undergone considerable shifts in fish abundance and composition. Specifically, this dissertation examined the diet composition, trophic position, and ontogenetic dietary shifts of two economically important species (Trichiurus japonicus and Todarodes pacificus) using the stable isotope technique and stomach content analysis during four seasons (winter, spring, summer, and autumn) in South Sea of Korea. Fish and potential food sources were collected from the study areas in 2020 and 2021. This dissertation comprises the following three parts. The first study assessed seasonal variation in the food-web structure of fish assemblages in the East (two sites) and South (one site) Seas of Korea, and compared the isotopic niche areas between the regions. To accomplish this, we analyzed the community structures and carbon and nitrogen stable isotope values of fish assemblages and their potential food sources collected during May and October 2020. There were spatial differences in the diversity and dominant species of fish assemblages between the two seas. The fish assemblages in the South Sea had relatively wide ranges of δ13C and δ15N (−22.4 to −15.3‰ and 7.4 to 13.8‰, respectively) compared with those in the East Sea (−22.1 to −18.0‰ and 9.8 to 13.6‰, respectively). The δ13C and δ15N values of suspended particulate organic matter, zooplankton, and fish assemblages differed significantly among sites and seasons (PERMANOVA, p < 0.05, in all cases). Moreover, the isotopic niche indices were relatively higher in the South Sea than in the East Sea. Such differences in food-web characteristics among sites are likely due to the specific environmental effects (especially, major currents) on the differences in species compositions. The second study investigated stomach contents and stable isotope signatures (δ13C and δ15N) of largehead hairtail (Trichiurus japonicus), which is one of the most commercially important fishes in the western North Pacific, to determine dietary changes across ontogeny and seasons. Our isotopic results revealed that the largehead hairtail is placed intermediately between pelagic and benthic fishes and was more δ13C and δ15N-depleted than other carnivorous fishes, suggesting high consumption of pelagic species. Similarly, seasonal variations were observed in the δ13C and δ15N values of the largehead hairtail (PERMANOVA, p = 0.001). Notably, their δ13C values in spring decreased significantly with ALs (r2 = 0.594, p < 0.001), suggesting an ontogenetic change due to the increased proportion of Euphausiacea in the nutrition of largehead individuals during this specific season. The third study evaluated the diet composition, trophic position, and ontogenetic dietary shifts of common squid (Todarodes pacificus) across different body sizes (mantle length, ML) and seasons (winter, spring, and summer 2021) in the South Sea of Korea using stable isotope and stomach content analyses. Regardless of the season, the common squid diet predominantly comprised Pisces (37.9–94.0%) and Cephalopoda (6.0–61.0%). However, in the smallest group (ML < 10 cm), the stomach contents in August were primarily Crustacea (95.5%), suggesting a seasonal difference in dietary composition and ontogenetic dietary shifts only during the summer. Similarly, our isotope results revealed seasonal isotopic variation among sampling periods and significant positive correlations between ML and both δ13C and δ15N values in common squid during summer. These results suggest seasonal variability of major diet components among size groups of common squid and that their feeding strategy is likely adjusted in response to diet availability on a temporal scale. This dissertation work allows for a deeper understanding of the changing trophic diversity and community structure of faunal assemblages caused by environmental changes. Moreover, this study improves our understanding of the feeding ecology of Trichiurus japonicus and Todarodes pacificus, which provides valuable information for ecosystem-based fishery management of these commercially important species. This study confirmed that the stable isotopes technique is a powerful tool for identifying feeding activities and energy sources of various organisms in marine ecosystems. The integrated use of stable isotope techniques and stomach content analysis is crucial for improving the interpretation of feeding studies for fisheries resources. Therefore, this dissertation will enhance our understanding of the impacts of outside influences on marine ecosystems, such as climate change, and how those interactions may change in time, space, and under different environmental conditions. In the future, more accurate and detailed clues can be found regarding the energy transfer among organisms in marine food webs in various environments using DNA barcoding and stable isotope techniques. Furthermore, these methods can be used for ecological engineering to enhance the design of ecosystems for the mutual benefit of humans and nature. Finally, we can improve marine ecosystem modeling to analogize long-term change perspectives. |본 연구는 2020년부터 2021년까지 한반도 주변해역(동해, 남해)에서 저층트롤에 의해 어획된 어류와 잠재먹이원을 대상으로 어류 군집 및 먹이망 구조의 계절 변동과 분포 특성 그리고 주요 상업종인 갈치와 살오징어의 먹이원과 영양단계의 시‧공간 변동 연구를 탄소 및 질소 안정동위원소와 위내용물 분석 기법을 활용하여 수행하였다. 동해 해역 내 두 개 정점과 남해 해역 한 개 정점을 대상으로 2020년 5월과 10월에 어류 군집의 먹이망 구조를 파악하고 해역별 생태학적 지위를 비교하기 위해 각각의 정점에서 어류와 잠재먹이원을 채집하여 탄소 및 질소 안정동위원소 분석을 실시하였다. 남해 해역 어류의 δ13C 범위는 −22.4 ~ −15.3‰, δ15N 범위는 7.4 ~ 13.8‰이었으며, 동해 해역 어류의 δ13C 범위는 −22.1 ~ −18.0‰, δ15N 범위는 9.8 ~ 13.6‰로 분석되어, 두 해역 간에 공간적인 차이를 보였다. 잠재먹이원인 입자유기물질, 동물플랑크톤의 δ13C 및 δ15N 범위도 두 계절 간에 유의한 차이를 보였다 (PERMANOVA, p < 0.05, in all cases). 또한, 어류의 δ13C 과 δ15N 값을 기반으로 계산한 trophic niche 값은 동해에 비해 남해 해역에서 상대적으로 높게 나타났다. 결국, 이러한 먹이망 특성의 차이는 어류 종조성과 해양환경 요인들의 차이에 기인하는 것으로 판단된다. 남해 해역 갈치를 대상으로 성장에 따른 계절별 먹이원 변동 특성을 파악하기 위하여 2021년 2월, 5월, 8월, 11월 안정동위원소와 위내용물 분석을 실시하였다. 갈치의 경우, 위내용물 분석을 통해 2월과 11월에는 어류, 5월에는 난바다곤쟁이류가 주요 먹이원으로 분석되었다. 갈치의 탄소 안정동위원소 비값은 계절적으로 차이를 보였으며, 특히 5월에는 성장에 따라 부유성 기원의 먹이기여가 높아지는 상관관계가 나타났다(r2 = 0.594, p < 0.001). 5월에 난바다곤쟁이류의 기여가 매우 높게 나타난 위내용물 분석과도 일치하는 결과로 파악되었다. 남해 해역 살오징어의 크기와 계절에 따른 먹이 조성, 영양단계, 그리고 성장에 따른 먹이원 변화 등을 파악하기 위하여 2021년 2월, 5월, 8월 안정동위원소와 위내용물 분석을 실시하였다. 전반적으로 살오징어의 식성은 어류(37.9 ~ 94.0%)와 두족류(6.0 ~ 61.0%)의 기여가 매우 높게 나타났다. 그러나 8월의 경우, 10cm 그룹에서 대부분 갑각류(95.5%)의 기여가 높게 나타났는데, 이는 계절별, 크기군별로 주요 먹이원의 변화가 있음을 의미한다. 본 연구는 기후변화 및 환경변화에 따른 해양 생태계 군집 변화와 영양단계 변화를 이해하기 위한 중요한 기초자료로 활용이 가능하며, 우리나라 해역에 서식하는 주요 종의 생태계 기반 수산자원관리를 위한 과학적인 자료를 제시하였다. 그리고 안정동위원소 분석기술이 해양생태계 내에서 여러 생물들의 섭식활동 및 에너지 공급원 등을 파악하는데 효과적인 분석방법임을 확인하였다. 동시에 위내용물 분석 기법과 병행하였을 때 더 효과적으로 수산자원의 섭식생태 연구를 진행할 수 있음을 보여주었다. 따라서 본 연구 결과는 기후변화 등의 해양환경 변화에 따른 해양생태계 반응을 이해하고 다양한 환경변화가 시공간적으로 어떻게 변화할 수 있는지에 대한 이해를 높이는 데 도움이 될 것이다. 향후 DNA barcoding 기술과 안정동위원소 분석 기술을 적용하면 다양한 환경의 먹이망 시스템에서 생물들간의 에너지 이동과 공급원을 파악하는데 더욱 정확하고 자세한 단서를 찾아낼 수 있을 것이다. 나아가서 생태공학 분야를 접목시킨 수산자원 관리 방안, 생태계 복원, 청정생산 기술 등 생태계를 이해하는데 중요한 접근법을 제시할 수 있으며, 장기적인 관점에서 생태계 변화를 예측하기 위한 생태계 모델링 결과 도출을 개선하는데 크게 기여할 수 있을 것으로 판단된다.