Multiscale oscillations of the annual course of temperature affect the spawning events of Rudd (Scardinus erythrophthalmus)

Abstract

Identifying climate impacts on ecosystems and their components requires observing time series of sufficient length to ensure adequate statistical power and reasonable coverage of the historical range of variability inherent in the system. The complexity of the hierarchy of climate effects reflected in temporal patterns in time series creates a need to be accurately modeled. The life cycle phenomena of living organisms, including fish spawning, have the character of one-time or time-limited events in time. An approach to finding the relationship between continuous components of time dynamics of environment properties and life cycle events of living organisms was proposed. This approach allowed us to evaluate the role of temperature patterns in the phe- nology of spawning rudd (Scardinus erythrophthalmus Linnaeus, 1758) in the Dnipro River basin water bodies. The atmospheric temperature time series may be decomposed into the following components: trend, annual cycle, episodic component, harmonic component, extreme events, and noise. Systematically low water temperatures at the beginning of the spawning period were ob- served in the Protoka River system and the Obukhov floodplain, and systematically elevated temperatures were recorded in the Dnipro River. The annual temperature dynamics was shown to be presented as a composition of oscillatory processes of different scale levels. The sinusoidal trend was previously extracted from the temperature series data. The average annual temperature, amplitude, and phase shift were calculated on the basis of the sinusoidal regression model. The residuals of the sinusoidal trend were processed by means of redundancy analysis with variables derived from symmetric distance-based Moran’s eigenvector maps as explanatory predictors. A set of 104 orthogonal dbMEM variables was extracted from the annual time series. These tem- poral variables were divided into the broad-, medium-, and fine-scale components. The parameters of temperature dynamics and biotope type are able to explain 51–72% of variability of spawning event. The time of spawning in water bodies corresponds to the time of spawning start: the earlier spawning starts, the earlier it ends. The duration of the spawning season is influenced by the patterns of different scale levels, as well as the amplitude and shift of phases. In this case, the duration of spawning in all water bodies does not differ. Spawning temperature depends on medium- and fine-scale temperature patterns, but does not depend on the characteristics of the sinusoidal annual trend. The annual temperature variation has been shown to be such that it can be decom- posed into a sinusoidal trend, patterns of a multiscale nature, and a random fraction. Over the time range studied, the trend of in- creasing mean annual temperature was not statistically significant for spawning events. The sinusoidal trend explains 78.3–87.6% of the temperature variations and depends on the mean annual temperature, the amplitude of temperature variations during the year, and the earlier or later seasons of the year. Amplitude and phase shift play a role in describing spawning phenology. The residuals of the sinusoidal trend have been explained using dbMEM variables. This variation was decomposed into large-scale, medium-scale, and small-scale components. Winter and spring temperature fluctuations prior to spawning initiation had the great- est effect on spawning. Water temperature determines the lower possible limit for the start of spawning, but the actual start of spawning is determined by the preceding temperature dynamics. The results of the study have implications for understanding the dynamics of fish populations and assessing the influence of environmental conditions on the harmonization of the various compo- nents of ecosystems. Визначення кліматичних впливів на екосистеми та їх компоненти вимагає спостереження за часовими рядами достатньої довжини, щоб забезпечити відповідну статистичну потужність і розумне охоплення історичного діапазону мінливості, властивої системі. Складність ієрархії кліматичних ефектів, відображених у часових моделях у часових рядах, створює потребу в точному моделюванні. Явища життєвого циклу живих організмів, у тому числі нерест риб, мають характер одноразових або обмежених у часі подій. Запропоновано підхід до встановлення зв’язку між безперервними компонентами часової динаміки властивостей середовища та подіями життєвого циклу живих організмів. Такий підхід дозволив оцінити роль температурних режимів у фенології нерестової краснопірки (Scardinus erythrophthalmus Linnaeus, 1758) у водоймах басейну р. Дніпро. Часовий ряд атмосферної температури можна розкласти на такі компоненти: тренд, річний цикл, епізодичний компонент, гармонічний компонент, екстремальні явища та шум. Систематично низька температура води на початку нерестового періоду спостерігалася в системі р. Протока та заплаві Обухова, а систематично підвищена – у р. Дніпро. Показано, що річна динаміка температури представлена у вигляді композиції коливальних процесів різного масштабного рівня. Синусоїдальний тренд був попередньо витягнутий з даних температурного ряду. На основі моделі синусоїдальної регресії розраховано середньорічну температуру, амплітуду та фазовий зсув. Залишки синусоїдального тренду були оброблені за допомогою аналізу надмірності зі змінними, отриманими з симетричних карт власних векторів Морана на основі відстані як пояснювальних предикторів. Набір із 104 ортогональних змінних dbMEM було витягнуто з річного часового ряду. Ці часові змінні були розділені на компоненти широкого, середнього та дрібного масштабу. Параметри динаміки температури та тип біотопу здатні пояснити 51–72% мінливості нересту. Час нересту у водоймах відповідає часу початку нересту: чим раніше починається нерест, тим раніше він закінчується. На тривалість періоду нересту впливають закономірності різних рівнів масштабу, а також амплітуда і зсув фаз. При цьому тривалість нересту у всіх водоймах не відрізняється. Температура нересту залежить від середньо- та дрібномасштабних температурних режимів, але не залежить від характеристик синусоїдального річного тренду. Було показано, що річна зміна температури є такою, що її можна розкласти на синусоїдальний тренд, шаблони багатомасштабного характеру та випадкову частку. Протягом досліджуваного періоду часу тенденція підвищення середньорічної температури не була статистично значущою для подій нересту. Синусоїдальний тренд пояснює 78,3-87,6% коливань температури і залежить від середньорічної температури, амплітуди коливань температури протягом року, а також ранньої чи пізньої пори року. Амплітуда та фазовий зсув відіграють певну роль в описі фенології нересту. Залишки синусоїдального тренду були пояснені за допомогою змінних dbMEM. Ця варіація була розкладена на великомасштабні, середньомасштабні та дрібномасштабні компоненти. Найбільший вплив на нерест мали зимові та весняні коливання температури перед початком нересту. Температура води визначає нижню можливу межу початку нересту, але фактичний початок нересту визначається попередньою динамікою температури. Результати дослідження мають значення для розуміння динаміки популяцій риб та оцінки впливу умов середовища на гармонізацію різних компонентів екосистем.