Catch and energy efficiency in trawls targeting mesopelagic fish, Calanus and northern krill

Abstract

<p>The increasing demand for marine bioresources to support aquaculture and global food security has driven the interest in mesopelagic fish, <i>Calanus sp.</i>, and northern krill (<i>Meganyctiphanes norvegica</i>) as alternative marine feed resources. However, efficient harvesting of these species presents significant challenges due to their small size, which requires the use of small-meshed trawls that are associated with hydrodynamic challenges in the form of high energy consumption. Therefore, guiding and identifying the optimal trawl designs for harvesting these small-sized species regarding mesh sizes and other key design parameters that provide the best balance between capture efficiency and energy consumption is important for the development of these fisheries. Therefore, the research conducted in this thesis focuses on developing scientific methodologies and applying them in combination with existing methods to investigate the catch and energy efficiency for trawls targeting mesopelagic fish, <i>Calanus sp.</i>, and northern krill. Specifically, the three research papers in this thesis investigate size selectivity, catch efficiency, and energy efficiency in trawls for these fisheries. <p>Paper I investigates size selectivity in trawls targeting mesopelagic fish, specifically pearlside (<i>Maurolicus muelleri</i>) and lanternfish (<i>Benthosema glaciale</i>), as well as northern krill. A quattro experimental design was used to quantify size selection in both the aft belly and the codend for three mesh sizes relevant to the mesopelagic fishery. The results confirmed that size selection should be considered in both the belly section and the codend of the trawl. However, it is significantly more effective in the codend than in a short, low-tapering belly section, highlighting that mesh size in the codend is an important parameter in mesopelagic trawl fisheries. Additionally, predictions based on the estimated size selectivity indicated that the mesh sizes currently in use may result in low catch efficiency. <p>Paper II focused on trawls targeting the copepod <i>Calanus finmarchicus</i>, which is the most abundant copepod species in Norwegian waters. Specifically, Paper II investigated the effect of two key trawl net design parameters, mesh size and taper angle, to determine the optimal trade-off between gear drag and catch efficiency. Flume tank experiments were conducted using a series of plankton nets that varied in mesh size, solidity ratio, and taper angle to measure gear drag. These same nets were subsequently used in fishing trials to assess their catch performance. The study demonstrated that zooplankton nets with a mesh size of approximately 500 μm and a low taper angle of about 5° showed the best balance between drag and catch efficiency. Finally, Paper II introduced design guides presenting the trade-off between catch and drag performance for mesh size and taper angle in trawls intended for the commercial harvesting of <i>Calanus</i>. <p>Paper III extended the investigation into capturing <i>Calanus</i> by assessing codend size selectivity across various mesh sizes. To achieve this, Paper III introduced an AI-based imaging system (CDMS) to automate <i>Calanus</i> size measurement in size selectivity data samples. Applying this system significantly improves data processing efficiency by enabling rapid measurement of large samples of <i>Calanus</i>. The study confirms the presence of a size selection process in <i>Calanus</i> trawls and demonstrates that smaller meshes retain a broader size range, while larger meshes only retain larger individuals.

<p>Den økende etterspørselen etter marine bioressurser for å støtte akvakultur og global matsikkerhet har ført til økt interesse for mesopelagiske fiskearter, raudåte og nordlig krill (<i>Meganyctiphanes norvegica</i>) som alternative marine fôrressurser. Effektiv høsting av disse artene byr imidlertid på betydelige utfordringer på grunn av deres små størrelser, som krever bruk av trålnøter med små maskestørrelser. Dette er forbundet med hydrodynamiske utfordringer i form av høyt energiforbruk. For å kunne utvikle bærekraftige fiskerier er det derfor viktig å utforme optimale tråldesign for fangst av disse små artene med hensyn til maskestørrelser og andre designparametere som gir best mulig balanse mellom fangsteffektivitet og energiforbruk. Forskningen som presenteres i denne avhandlingen fokuserer derfor på å utvikle vitenskapelige metoder og anvende dem i kombinasjon med eksisterende metoder for å undersøke fangst- og energieffektivitet for trålnøter rettet mot mesopelagiske fiskearter, raudåte og nordlig krill. De tre vitenskapelige artiklene som inngår i denne avhandlingen undersøker størrelsesselektivitet, fangsteffektivitet og energieffektivitet i trålfiskerier rettet mot disse artene. <p>Paper I undersøker størrelsesselektivitet i trålnøter rettet mot mesopelagiske fiskarter, spesielt lysprikkfisk (<i>Maurolicus muelleri</i>) og laksesild (<i>Benthosema glaciale</i>), samt nordlig krill. Et quattro-eksperimentelt design ble brukt for å kvantifisere størrelsesseleksjon både i trålforlengelsen og trålposen for tre ulike maskestørrelser som er relevante for mesopelagisk fiske. Resultatene bekreftet at størrelsesseleksjon bør vurderes både i trålforlengelsen og i trålposen. Effekten var imidlertid betydelig større i trålposen enn i en kort trålforlengelse med lav konvergens, noe som understreker at maskestørrelse i posen er en viktig parameter i mesopelagiske trålfiskerier. I tillegg indikerte prediksjoner basert på estimert størrelsesseleksjon at de maskestørrelsene som i dag benyttes kan føre til lav fangsteffektivitet. <p>Paper II fokuserer på trålnøter rettet mot raudåte (<i>Calanus finmarchicus</i>), som er den mest tallrike copepoden i norske farvann. Studien undersøkte spesielt effekten av to viktige designparametere for trålnøter, nemlig maskestørrelse og vinkel, for å identifisere en optimal balanse mellom tauemotstand og fangsteffektivitet. Forsøkene ble gjennomført i modelltank ved bruk av en serie planktontrålnøter med ulike maskestørrelse og skjæringsvinkel for å måle tauemotstand. De samme trålnøtene ble deretter benyttet i fiskeforsøk for å vurdere fangstytelse. Studien viste at planktontrålnøter med en maskestørrelse på omtrent 500 μm og en lav skjæringsvinkel på ca. 5° oppnådde den beste balansen mellom tauemotstand og fangsteffektivitet. Studien introduserer også designguider som presenterer avveiinger mellom fangst og tauemotstand for maskestørrelse og skjæringsvinkel i trålnøter utviklet for kommersiell høsting av raudåte. <p>Paper III videreførte undersøkelsene av fangst av raudåte ved å vurdere størrelsesselektivitet i trålposen ved ulike maskestørrelser. For å oppnå dette introduserte studien et KI-basert bildesystem (CDMS) for å automatisere størrelsesmålingen av raudåte. Bruken av dette systemet forbedrer databehandlingseffektiviteten betydelig ved å muliggjøre rask måling av store prøver av raudåte. Studien bekrefter at en seleksjonsprosess forekommer i raudåte trålnøter og viser at mindre masker beholder et bredere størrelsesspekter, mens større masker kun beholder de største individene.