Zusammenhänge zwischen Strukturparametern und Wirbellosenfauna in kiesgeprägten Bächen des Norddeutschen Tieflands erste statistische Analysen

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1 Zusammenhänge zwischen Strukturparametern und Wirbellosenfauna in kiesgeprägten Bächen des Norddeutschen Tieflands erste statistische Analysen Johanna Lietz und Matthias Brunke 1. Einleitung Nach der ersten Schätzung des Landes zur Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) sind lediglich 2% der Fließgewässer Schleswig- Holsteins im guten ökologischen Zustand. Diese Schätzungen haben sich in den biologischen Praxistests der letzten drei Jahre bestätigt. Grund für den schlechten ökologischen Zustand der Gewässer sind neben stofflichen Belastungen vor allem hydromorphologische Veränderungen. Die Wasserrahmenrichtlinie fordert den guten ökologischen Zustand für alle natürlichen Gewässer. Um diesen zu erreichen, werden landesweit Maßnahmen geplant und umgesetzt, welche den Zustand verbessern sollen. Im Hinblick auf die Hydromorphologie stellt sich die Frage, welche Maßnahmen tatsächlich effektiv auf die Lebensgemeinschaften wirken. Die Wechselwirkungen der bodenlebenden Wirbellosenfauna (Makrozoobenthos) und der Gewässerstruktur sind ein wesentlicher Bestandteil des zur Umsetzung der WRRL entwickelten Bewertungsverfahrens. Dass sich strukturelle Verarmung (Degradation) auf die Zusammensetzung der Wirbellosenfauna auswirkt, ist hinreichend bekannt. Schwieriger ist es, tatsächlich einzelne Faktoren zu benennen, die ursächlich im Zusammenhang mit dem unbefriedigenden ökologischen Zustand stehen. Meist handelt es sich um ein Gefüge von Ursachen, die sich in vielfältiger Weise auf die Fauna auswirken. Um die Ergebnisse der Gefährdungsabschätzung zu verifizieren, wurden vom Landesamt für Natur und Umwelt Schleswig-Holstein (LANU) in Zusammenarbeit mit dem Landesverband der Wasser- und Bodenverbände (LWBV) im Rahmen des WRRL-Monitorings Praxistests durchgeführt. Zeitgleich wurde bis Ende 2006 auf einer Länge von ca km die Struktur an Fließgewässern nach dem an Schleswig-Holstein angepassten LAWA-Verfahren erhoben (AHRENS 2007). Um Hinweise zu erlangen, ob und welche direkten Zusammenhänge es zwischen den Ergebnissen der für das WRRL-Monitoring erhobenen Daten der Wirbellosenfauna und den Daten aus der Strukturkartierung gibt, wurden statistische Auswertungen durchgeführt. Zusammenhänge zwischen Strukturparametern und Wirbellosenfauna 213

2 2. Methode In den Jahren 2004 bis 2006 wurden im Rahmen des WRRL-Monitorings 65 Untersuchungen in 53 kiesgeprägten Bächen (Typ 16) nach dem Bewertungsverfahren PERLODES für die Wirbellosenfauna (MEYER et al. 2006) durchgeführt. In die Bewertung der Ergebnisse fließen verschiedene Indices, wie Artenzusammensetzung, Anzahl der Köcherfliegenarten und der prozentuale Anteil der Eintags-, Stein und Köcherfliegen (so genannte Metrics) mit ein. Aus diesen Metrics wird eine Bewertung für die allgemeine Degradation sowie für die saprobielle Belastung abgeleitet, die dann beide zu der fünf-klassigen Gesamtbewertung (sehr gut bis schlecht) führen. Die allgemeine Degradation spiegelt vorwiegend die strukturelle Belastung wider, während die Saprobie die organische Belastung anzeigt. Die Grenze vom guten zum mäßigen Zustand der Saprobie liegt für die kiesgeprägten Bäche bei einem Saprobie-Wert von 2,15. Die Auswahl der Probestellen erfolgte anhand der strukturellen Degradation und der Repräsentativität der Abschnitte für den Wasserkörper (LIETZ 2007). Die 65 Bewertungsergebnisse verteilen sich auf alle Bewertungsklassen (Abbildung 1). Abbildung 1: Verteilung der 65 Makrozoobenthos- Untersuchungen auf die Bewertungsklassen nach Wasserrahmenrichtlinie Die Strukturkartierung wird in dem auf die Landesverhältnisse angepassten Bewertungsverfahren nach LAWA durchgeführt, das wie die biologische Bewertung fünf Bewertungsklassen verwendet (AHRENS 2007). Die Struktur-Gesamtbewertung unterscheidet die drei Bereiche Sohle, Ufer und Land, die wiederum auf den sechs Hauptparametern Laufentwicklung, Längsprofil, Sohlenstruktur, Querprofil, Uferstruktur und Gewässerumfeld basieren. Von den Kartierern werden hierzu insgesamt 27 Einzelparameter vor Ort erfasst. Die strukturell bewerteten Abschnitte der 65 benthosbiologisch untersuchten Gewässer verteilen sich auf die Klassen sehr gut bis unbefriedigend (Abbildung 2). Die Bewertungen der Strukturgütekartierung wurden mit den Bewertungen des Makrozoobenthos anhand multivariater Statistiken (Korrespondenzanalyse) verglichen und auf ihre Bedeutung für das Benthos getestet. Zudem wurden Rangkorrelationen zwischen den Einzelparametern der Strukturgütekartierung und den Metrics der Makozoobenthosbewertung berechnet. 214 Jahresbericht des Landesamtes für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2007/08

3 Abbildung 2: Verteilung der 65 Stationen auf die LAWA-Strukturbewertungsklassen 3. Ergebnisse 3.1. Vergleich der Bewertungen von Strukturgütekartierung und Makrozoobenthoserhebungen Die statistischen Auswertungen zeigten, dass die allgemeine Degradation des Makrozoobenthos nicht durch die Gesamtbewertung der Strukturkartierung widergespiegelt wird; auch die Saprobie kovariiert nicht mit der Strukturgüte. Die Korrelationen liegen zwischen 0,18 und 0,39 und sind daher wenig aussagekräftig. Auch die Bewertungen der Bereiche Sohle, Ufer, Land sowie der Hauptparameter der Strukturgüte stehen in keinem aussagekräftigen Zusammenhang zu den Bewertungen des Makrozoobenthos. Auf der Ebene der Einzelparameter können die Tiefenvarianz, die besonderen Lauf- und Uferstrukturen etwas bessere Korrelationen zur Makrozoobenthosbewertungen vorweisen (r = 0,42; r = 0,43 und r = 0,47) Bedeutung der Saprobie Viele der Probestellen weisen eine saprobielle Belastung auf (Abbildung 3). Der Saprobienwert erklärt 17,2% der gesamten Variabilität der Metrics und hat damit einen bedeutenden Einfluss auf die Metrics, im Gegensatz zu den Strukturparametern (4%). Noch bedeutender ist die Indikation der organischen Belastung durch den Saprobienwert für die Artenzusammensetzung, da hier 38,7% der Variabilität erklärt wird. Anzahl Probestellen prozentualer Anteil der Balken Abbildung 3: Histogramm zur Verteilung der Saprobienwerte der 65 Probestellen. Die gestrichelte Linie markiert den Übergang zwischen gut und mäßig bewerteter Saprobie Saprobienwert Zusammenhänge zwischen Strukturparametern und Wirbellosenfauna 215

4 Faunaindex 3.3. Metrics und Makrozoobenthosbewertung Der Fauna-Index der Bewertung nach PERLO- DES für sand- und kiesgeprägte Bäche bestimmt maßgeblich die Makrozoobenthos- Bewertung, da die Saprobie- und Degradationsbewertungen sehr hoch mit diesem Metric korrelieren (r = -0,81 bzw. r = -0,9) Metrics und Einzelparameter der Strukturbewertung Alle Korrelationen zwischen den Strukturparametern und den Makrozoobenthos-Metrics sind vergleichsweise gering; die höchste Korrelation liegt bei r = 0,45, so dass nur Trends zwischen den Metrics und einigen wenigen Strukturparametern zu erkennen sind. Der Fauna-Index, der ausschlaggebend für die Makrozoobenthos-Bewertung ist, korreliert am häufigsten mit Strukturparametern (12 Korrelationen zwischen r = 0,3 bis 0,45). Von den Einzelparametern der Strukturkartierung korreliert die Tiefenvarianz am meisten mit den Makrozoobenthos-Metrics (6 Korrelationen zwischen r = 0,3 bis 0,45). Abbildung 4: Zusammenhang zwischen Tiefenvarianz und den Werten des Fauna-Index. Im Trend ergeben sich für den Fauna-Index geringere (schlechtere) Werte mit abnehmender Tiefenvarianz Strukturgütekartierung: Tiefenvarianz 3.5. Artenzusammensetzung des Makrozoobenthos und Strukturparameter Die Artenzusammensetzung ergibt sich aus der Anzahl und der Abundanz der nachgewiesenen Arten. Die Korrespondenzanalyse der Arten zeigte, dass neun Arten des Makrozoobenthos indikativ für eine gute Bewertung der untersuchten Stellen waren. Hierzu zählen die Steinfliegenarten Amphinemura standfussi und Nemoura flexuosa, die Eintagsfliegenarten Rhithrogena semicolorata, Electrogena ujhelyii sowie die Köcherfliegenarten Plectrocnemia conspersa, Agapetus fuscipes, Sericostoma sp. Potamophylax cingulatus und P. nigricornis. Die Verteilung der Probenahmestellen in der Korrespondenzanalyse der Arten spiegelt sehr deutlich die Bewertung anhand der Metrics wider. In einem Gradienten von der linken (negativen) bis zur rechten (positiven) Seite der Korrespondenzanalyse (Abbildung 5) verbessert sich die Bewertung bis zur Wertstufe 1. Einige Strukturparameter waren einflussreich für die Artenzusammensetzung des Makrozoobenthos, im Gegensatz zu den Makrozoobenthos-Metrics nach PERLODES, bei denen die Strukturparameter nur wenig die Verteilung der Metrics erklärten. Die Einzelparameter besondere Laufstrukturen, Quotient aus Profiltiefe und Wasserspiegelbreite sowie Substratbewertung trennten generell die guten von den nicht guten Stellen ab. Die Parameter Profiltyp und Tiefenvarianz trennten die strömungsarmen degradierten von den guten Stellen ab. 216 Jahresbericht des Landesamtes für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2007/08

5 Eine der anspruchsvollen indikativen Köcherfliegen als adultes Tier (Potamophylax nigricornis; Foto: Angela Berlin) Faktor 2 Legende: Wertstufen der Degradation Abbildung 5: Lage der 65 Probenahmestellen in der Korrespondenzanalyse der Arten. Die Probenahmestellen sind farbig anhand des Degradationsindex der Makrozoobenthos-Bewertung markiert. Faktor 1 Zusammenhänge zwischen Strukturparametern und Wirbellosenfauna 217

6 4. Diskussion Die Erhebungen zum Makrozoobenthos dokumentieren, dass die organische Belastung (Saprobie) immer noch die Zusammensetzung des Makrozoobenthos in kiesgeprägten Bächen in Schleswig-Holstein beeinflusst. So kommt der Saprobie bei der faunistischen Bewertung der Gewässer eine große Bedeutung zu. Dies gilt insbesondere für die ausgewerteten kiesgeprägten Bäche, die natürlicherweise eine geringere Grundbelastung aufweisen als andere Typen. Sie weisen insgesamt in Schleswig-Holstein den höchsten Anteil an organisch belasteten Abschnitten auf (LIETZ 2008). Die organische Belastung beeinträchtigt die Regeneration von Gewässern bzw. das Erreichen des guten Zustands. Das Modul allgemeine Degradation der Makrozoobenthosbewertung wird nicht durch die Bewertung der Strukturkartierung widergespiegelt, weder auf der Ebene der Gesamtbewertung, noch auf der Ebene der Hauptparameter. Auch Einzelparameter korrelieren nur bedingt mit der Degradation. Dies kann mehrere Gründe haben: Die saprobielle Belastung verhindert die mögliche Reaktion des Benthos auf strukturelle Parameter. Weitere für die Fauna relevante Einflussgrößen werden in der Strukturkartierung nicht ausreichend erfasst, z.b. die Störung durch Sandtreiben auf der Sohle. Die räumliche Skala der Strukturbewertung eines Abschnitts ist nicht aussagekräftig: Einerseits passt die eher punktuelle Makrozoobenthoserhebung nicht zur Länge der Abschnitte, andererseits können auch größere räumliche Skalen einen limitierenden Effekt auf die Fauna ausüben, so dass Durchschnittswerte für längere Strecken oberhalb der untersuchten Station bedeutend sein können. In einer Studie an Gewässern aus Thüringen korrelierten summarische Strukturbewertungen (bis 6 km oberstrom der Benthosuntersuchung) besser als die lokalen Kartierungen mit den Bewertungen des Makrozoobenthos (WAGNER & ARLE 2007). Die Datenbasis war noch nicht hinreichend groß, um Zusammenhänge statistisch darzustellen. Es spielen weitere Faktoren eine entscheidende Rolle, die bislang nicht berücksichtigt werden konnten, z.b. das Besiedlungspotenzial des Gewässersystems sowie unmittelbare Nachbarschaftseffekte durch ökologisch besser oder schlechter strukturierte und besiedelte Abschnitte. Die Verteilung der Probenahmestellen in der Korrespondenzanalyse der Arten spiegelt deutlich die Bewertung anhand der Metrics wider. Dieses Ergebnis bestätigt einerseits die Bewertung anhand der verschiedenen Metrics. Von diesen hat der Fauna-Index nach PERLO- DES ein besonderes Gewicht; obschon er mit 50% die Hälfte des Moduls allgemeine Degradation ausmacht, ist er letzten Endes maßgeblich für die Bewertung. Andererseits zeigt das Ergebnis der Korrespondenzanalyse, dass auch eine direkte Bewertung über die Artenzusammensetzung (Zahl und Abundanz) vorgenommen werden könnte, ohne die Berechnung der verschiedenen Metrics. Der Einfluss der Strukturparameter auf die Zusammensetzung der Arten liefert dennoch Ansätze für Maßnahmen, welche zu einer Verbesserung des ökologischen Zustands hinsichtlich des Makrozoobenthos für kiesgeprägte Bäche führen. Diese weisen darauf hin, dass: ein Erhöhen der Tiefenvarianz eine Erhöhung der besonderen Laufstrukturen und eine Verbesserung der Substratzusammensetzung (höherer Kies- und Totholzanteil) einen positiven Effekt auf das Makrozoobenthos haben. Diese Maßnahmen wirken sich auch positiv auf die Fischfauna aus (BRUNKE 2008). Dennoch limitiert die organische Belastung im mäßig bis kritisch-belasteten Bereich eine Regeneration des Makrozoobenthos auch bei einer vorhandenen guten Struktur. 218 Jahresbericht des Landesamtes für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2007/08

7 5. Zusammenfassung Die Wasserrahmenrichtlinie fordert den guten ökologischen Zustand für alle natürlichen Gewässer. Um diesen zu erreichen, werden landesweit Maßnahmen geplant und umgesetzt, welche den Zustand verbessern sollen. Im Hinblick auf die Hydromorphologie stellt sich die Frage, welche Maßnahmen tatsächlich effektiv auf die Lebensgemeinschaften wirken. In den Jahren 2004 bis 2006 wurden im Rahmen des WRRL-Monitorings 65 Untersuchungen in 53 kiesgeprägten Bächen für die Wirbellosenfauna durchgeführt. Zudem wurde an diesen Stellen die Struktur nach einem nach LAWA modifizierten Verfahren erhoben. Um Erkenntnisse zu gewinnen, welche Zusammenhänge zwischen den Bewertungsergebnissen der Wirbellosenfauna und den Daten aus der Strukturkartierung bestehen, wurden statistische Auswertungen durchgeführt. Die Ergebnisse der Bewertung nach PERLO- DES sind plausibel, da auch eine Korrespondenzanalyse der Artenzusammensetzung die Bewertung anhand der Metrics bestätigt, von denen der Fauna-Index ein besonderes Gewicht hat. Die Analyse liefert indikative Arten für den guten ökologischen Zustand. Der Einfluss der Saprobie auf die Bewertung des Makrozoobenthos ist offensichtlich. Sie erklärt 17% der Variabilität der einzelnen Metrics bzw. 39% der Variabilität der Artenzusammensetzung. Die Bewertungsergebnisse der allgemeinen Degradation und der Saprobie aus der Makrozoobenthosbewertung spiegeln jedoch kaum die Strukturbewertung wider. Lediglich einzelne Parameter wie Tiefenvarianz korrelieren mäßig mit der Bewertung. Gleiches gilt für die Korrelation von einzelnen Metrics der Makrozoobenthosbewertung mit einzelnen Strukturparametern. Die Gründe für die geringe Korrelation liegen vermutlich in einer nicht ausreichenden Erfassung der für die Fauna relevanten Strukturparameter, dem gravierenden Einfluss der saprobiellen Belastung, der Rolle historischer Effekte auf die Besiedlung (noch nicht abgeschlossene Wiederbesiedlung und Regeneration nach langjähriger Belastung) und der räumlichen Skala der Strukturbewertung. Die vorgefundenen Zusammenhänge und Trends weisen dennoch auf Maßnahmen hin, die zu einer Verbesserung des ökologischen Zustands hinsichtlich des Makrozoobenthos in kiesgeprägten Bäche führen können. Hierzu zählen die Erhöhung der Tiefenvarianz, der Substratzusammensetzung und der besonderen Laufstrukturen. Der Saprobie kommt bei der faunistischen Bewertung der Gewässer nach wie vor eine große Bedeutung zu. Die graduelle organische Belastung beeinträchtigt die Regeneration von kiesgeprägten Bächen bzw. das Erreichen des guten Zustands. 6. Summary The EC-Water Framework Directive demands the good ecological status for all natural waters. Therefore measures that shall improve the status are planned and realized statewide. In order to achieve efficient actions, it is important to recognise which hydromorphological parameters are influential for the macroinvertebrate communities. Investigations on macroinvertebrates had been conducted at 65 sites located in 53 gravel-dominated streams within the WFDmonitoring from 2004 to The morphological structure according to a modified LAWA instruction was mapped at these sites. Statistical analyses were conducted to explore relationships between assessments of macroinvertebrates and hydromorphological structures. The results of the macroinvertebrates assessment were supported by correspondence analyses and appeared to be plausible. The so-called fauna-index was decisive for the macroinvertebrate assessment. The analysis provided species that were indicative for the good ecological status. The influence of orga - nic pollution on macroinvertebrate was still evident; the saprobic scores explained 17% and 39% on the variance of assessment metrics and of community structure, respectively. The hydromorphological assessment was not reflected by the macroinvertebrate assessments of general degradation and saprobic pollution. Merely single parameters such as variance in water depth correlated moderately with the faunal assessment and single faunal metrics. Zusammenhänge zwischen Strukturparametern und Wirbellosenfauna 219

8 The reasons for the weak correlations probably refer to an insufficient mapping of ecologically relevant structural factors, a significant influence of the saprobic pollution, the role of historic effects on communities (i.e. incomplete recovery from long-lasting degradations) and the spatial scale of the hydromorphological assessment. However, the found relationships and trends suggest measures that can effect ecological improvements concerning macroinvertebrate communities in gravel-dominated streams. Measures should aim to enlarge variance in water depth, substratum composition, and special river bed structures. The saprobic assessment is still an important component of the overall assessment, because at present the gradual organic pollution limits a full recovery of streams and the achievement of the good ecological status. 7. Literatur AHRENS, U. (2007): Gewässerstruktur: Kartierung und Bewertung der Fließgewässer in Schleswig-Holstein, Jahresbericht 2006/2007 des Landesamtes für Natur und Umwelt Schleswig-Holstein, BRUNKE, M. (2008): Hydromorphologische Indikatoren für den ökologischen Zustand der Fischfauna der unteren Forellenregion im norddeutschen Tiefland. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 52/5: LIETZ, J. (2007): Biologische Bewertungsverfahren im Test: Erste Ergebnisse aus dem Fließgewässer-Praxistest zur Umsetzung der WRRL in Schleswig-Holstein, Jahresbericht 2006/2007 des Landesamtes für Natur und Umwelt Schleswig-Holstein, LIETZ, J. (2008): Anforderungen der WRRL an Struktur und Gewässergüte der Fließgewässer aus dem Blickwinkel der Biologie.- 20.Norddeutsche Tagung für Abwasserwirtschaft und Gewässerentwicklung, Tagungsband 2008, MEIER, C., P. HAASE, P. ROLAUFFS, K. SCHINDEHÜT- TE, F. SCHÖLL, A. SUNDERMANN & D. HERING (2006): Methodisches Handbuch Fließgewässerbewertung. Handbuch zur Untersuchung und Bewertung von Fließgewässern auf der Basis des Makrozoobenthos vor dem Hintergrund der EG-Wasserrahmenrichtlinie. Stand Mai WAGNER, F., ARLE, J. (2007): Die Bedeutung verschiedener Umweltfaktoren für das Erreichen des guten ökologischen Zustands. Analyse vorhandener Daten zum Makrozoobenthos, der Fischfauna, der Gewässerstruktur, der chemischen Qualität und der Erosionsdaten aus Thüringer Fließgewässern. Bericht im Auftrag des Thüringer Ministeriums für Landwirtschaft, Naturschutz und Umwelt. Institut für Gewäserökologie und Fischereibiologie, Jena.105p Johanna Lietz Dezernat 41 - Fließgewässerökologie Tel.: / jlietz@lanu.landsh.de Dr. Matthias Brunke Dezernat 41 - Fließgewässerökologie Tel.: / mbrunke@lanu.landsh.de 220 Jahresbericht des Landesamtes für Natur und Umwelt des Landes Schleswig-Holstein 2007/08