Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften. vorgelegt von. Dipl.-Biol. Susanne Osterkamp. aus Kleve am Niederrhein

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1 GIS-GESTÜTZTE MODELLIERUNG DER RÄUMLICHEN VERTEILUNG DER VEGETATION IM TIDEBEREICH VON ÄSTUAREN UNTER DEN BEDINGUNGEN EINER KLIMAÄNDERUNG MITTELS DER KLASSIFIKATIONS- UND REGRESSIONSANALYSE (CART) AM BEISPIEL DER UNTERWESERVORLÄNDER Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften vorgelegt von Dipl.-Biol. Susanne Osterkamp aus Kleve am Niederrhein Universität Bremen Fachbereich 2 Biologie/Chemie April 2006

2 ERKLÄRUNG Hiermit erkläre ich, dass ich 1. diese Arbeit ohne unerlaubte fremde Hilfe angefertigt habe, 2. keine anderen als die von mir angegebenen Hilfsmittel und Quellen benutzt habe und 3. die den benutzten Werken wörtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht habe Susanne Osterkamp

3 DANKSAGUNG Für die Unterstützung, die ich während meiner Promotionszeit erfahren habe, möchte ich allen, die mir geholfen haben, herzlich danken! Meinem Doktorvater Dr. Michael Schirmer danke ich für die Möglichkeit zur Mitarbeit im KLIMU- Projekt, die Bereitstellung des Themas, seine inhaltliche und persönliche Unterstützung, die Betreuung der Arbeit und die Übernahme des Referates. Prof. Dr. Gerd Weidemann danke ich für die Übernahme des Korreferates. Auch meinen Prüfern Prof. Dr. Juliane Filser und Prof. Dr. Jörg- Friedhelm Venzke danke ich sehr. Allen Kollegen und Kolleginnen des BMBF-Forschungsprojektes Klimaänderung und Unterweserregion, allen voran dem Projektleiter Dr. Schirmer, dem Projektkoordinator Dr. Schuchardt und meinen Mitstreitern Dr. Dietmar Kraft und Steffan Wittig, danke ich für die gute Zeit in unserem Projektteam. Nicht vergessen will ich meine Kollegen von der AG Aquatische Ökologie, denen ich für die schönen gemeinsamen Jahre und die gute Atmosphäre danken möchte. Dr. Maya Trapp und Dr. Stefan Trapp, Achim Lotz, Doris Bos und Frau E. Urban danke ich herzlich für das Korrekturlesen. Dr. Katrin Urban und Dr. Sebastian Trapp danke ich für die ermunternden fachlichen Diskussionen. Eike Frese, Dr. Frank Hellberg und Hermi Schröder danke ich für die schönen Exkursionen an die Weser und ihre vegetationskundlichen Unterweisungen. Steffen Schwantz danke ich für seine Beratung zum Thema Geodaten und den Dim Sums. Meinen Vorgesetzten und Kollegen beim Senator für Bau, Umwelt und Verkehr danke ich für die Unterstützung meines Promotionsvorhabens. Nicht zuletzt gilt mein herzlicher Dank Herrn Wosniok vom Fachbereich Mathematik/Informatik, der mir bei den statistischen Analysen und Modellierungen mit CART in R mit gutem Rat zur Seite stand. Susanne Osterkamp

4 Inhalt INHALTSVERZEICHNIS TABELLENVERZEICHNIS ABBILDUNGSVERZEICHNIS TEIL I EINLEITUNG UND UNTERSUCHUNGSGEBIET 1 EINLEITUNG Problemstellung Stand der Klimafolgenforschung Das Forschungsprojekt Klimaänderung und Unterweserregion (KLIMU) Zielsetzung, Aufgabenstellung und wissenschaftlicher Fortschritt DAS UNTERSUCHUNGSGEBIET Geografische Lage und Naturraum Geogenese und Böden Nutzungsarten und Vegetation Unterweser Unterweservorland Klima und Standortparameter TEIL II VORLANDVEGETATION UND STANDORTPARAMETER, DATENBASIS UND METHODEN 3 VORLANDVEGETATION UND STANDORTPARAMETER Standortparameter tidebeeinflusster Lebensräume Hydrologischer Faktorenkomplex Überflutung und Topografie Strömung Lage der Trübungszone, Gewässergüte und Salinität Standörtlicher Faktorenkomplex Bodenfeuchte und Bodenart Standorttyp Nutzungsart und -intensität Klimatischer Faktorenkomplex CO 2 -Konzentration Temperatur Strahlung, UV-B Biotischer Faktorenkomplex Sukzession Verbreitungsmechanismen der Vegetation Gliederungskonzepte der Vegetation Biotoptypen Pflanzengesellschaften...30

5 Inhalt 4 DATENBASIS Szenarien Klimaszenario Nutzungsszenarien Projektdaten Digitales Geländemodell (DGM) Tidehoch- und Tideniedrigwasser Salinität Sielzugzeiten und Meliorationswasserstände Literaturdaten Bodentyp und -feuchte Biotoptypenkartierung Felduntersuchungen Aktuelle Vegetations- und Biotoptypenkartierung METHODEN Datenaufbereitung und integration mit einem Geografischen Informationssystem Datenaufbereitung der Standortparameter Datenintegration Biotoptypen- und Bodeninformationen Hydrologische Informationen Standorttypen und Flächennutzung Ableitung einer Karte der Nutzungstypen Datenanalyse und Modellierungsverfahren Deskriptive Statistik Explorative Datenanalyse Parametrische und nicht-parametrische Verfahren Klassifikations- und Regressionsbäume (CART) Eigenschaften des CART-Verfahrens Vorteile des CART-Verfahrens...50 TEIL III ERGEBNISSE UND DISKUSSION 6 ERGEBNISSE UND DISKUSSION: STATUS QUO-ANALYSE Deskriptive Datenanalyse und Flächenbilanzen Hydrologischer Faktorenkomplex Topografie Lage der Biotoptypen zum MThw Festlegung einer THw-Linie Überflutungsdauer Salinität Standörtlicher Faktorenkomplex Bodentyp Bodenfeuchte...62

6 Inhalt Verschneidung unterschiedlicher Maßstabsbereiche Nutzungsart und -intensiät: Nutzungstypen Verwendung der Kategorie der Nutzungstypen Standorttypen als Ergebnis der Nutzungsart und -intensität Zonierung und räumliche Verteilung der Vegetation der Unterweservorländer im Status quo Naturnahes tidebeeinflusstes Vorland Röhrichte Vegetationsloses Watt Landwirtschaftlich genutztes, tidebeeinflusstes Vorland Extensiv- und Feuchtgrünland Extensiv- und Intensivgrünland Grünlandbrachen Sommerbedeichte Vorlandbereiche Grasacker Intensivgrünland Extensivgrünland Aufgespülte Vorlandbereiche Befestigte Uferabschnitte ERGEBNISSE UND DISKUSSION: MODELLIERUNG DER VEGETATION MIT DEM VEGETATION-STANDORT-MODELL (VS-MODELL) Modellbeschreibung Modellvariablen Modellannahmen, Definition von Veränderung, Gültigkeitsbereich des VS-Modells, Maßstab und Skalen Modellannahmen Definition des Begriffs Veränderung Gültigkeitsbereich des VS-Modells Maßstabs- und Skalenproblematik Modellvalidierung Kreuzvalidierung Diskussion der Validierungsergebnisse Validierungsergebnisse für die Nutzungstypen Validierungsergebnisse für die Biotoptypen Validierungsergebnisse für die aggregierten Biotoptypen Aussagekraft der Validierungsergebnisse Modellanwendung unter den Bedingungen des Status quo Modellierung der Nutzungstypen für den Status quo Modellierung der Biotoptypen für den Status quo Modellanwendung unter den Bedingungen einer Klimaänderung Modellierung der Nutzungstypen unter den Bedingungen einer Klimaänderung Modellierung der Nutzungstypen unter den Bedingungen einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario 194

7 Inhalt Modellierung der Nutzungstypen unter den Bedingungen einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario Fazit: Modellierung der Nutzungstypen unter den Bedingungen einer Kimaänderung Modellierung der Biotoptypen unter den Bedingungen einer Klimaänderung Modellierung der Biotoptypen unter den Bedingungen einer Kimaänderung mit Nutzungsszenario Modellierung der Biotoptypen unter den Bedingungen einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario Fazit: Modellierung der Biotoptypen unter den Bedingungen einer Klimaänderung Bedeutung morphologischer Veränderungen des Unterweservorlandes infolge einer Klimaänderung Zonierung und räumliche Verteilung der Vegetation der Unterweservorländer infolge einer Klimaänderung Veränderung der Vegetation infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario Tidebeeinflusstes Vorland Sommerbedeichte Vorlandbereiche Aufgespülte Vorlandbereiche Befestigte Uferabschnitte Veränderung der Vegetationszusammensetzung infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario Exkurs I: Auwaldentwicklung Exkurs II: Neophyten ZUSAMMENFASSENDE DISKUSSION UND AUSBLICK Zusammenfassende Diskussion Gültigkeitsbereich des VS-Modells Eignung der verwendeten Klassifikationsverfahren und Maßstabsbereiche Auswahl der wesentlichen für die Modellierung geeigneten Standortparameter Aussagekraft des VS-Modells: Modellvalidierung Eignung des CART-Verfahrens: Einstufung der Validierungsergebnisse Plausibilitätsprüfung des VS-Modells: Modellierung des Status quo Bewertung der Modellergebnisse: Auswirkungen einer Klimaänderung auf die Vorlandvegetation der Unterweser Relevanz der Modellergebnisse: Bedeutung morphologischer Veränderungen des Unterweservorlandes infolge einer Klimaänderung Bewertung und Übertragbarkeit des VS-Modells Ausblick: Das VS-Modell als ein Instrument des vorsorgenden Handelns Resümee ZUSAMMENFASSUNG TEIL IV LITERATUR UND ANHANG 10 LITERATUR ANHANG...I

8 Inhalt TABELLENVERZEICHNIS Tab. 1: Klimaszenario 2050, Region Bremen: Übersicht über die aus dem Modell ECHAM4/OPYC3 nach v. STORCH et al. (1998) berechneten Klimaparameter CO 2, Temperatur, Niederschlag, Windgeschwindigkeit und windbedingter Tidehochwasserstand. Ausgabe der Werte als Mittelwert pro Quartal beginnend mit Dezember. Bezugszeitraum Ableitungen des Meeresspiegelanstiegs aus IPCC (2001) business as usual und high estimate, Tabelle nach SCHUCHARDT & SCHRIMER (2005)...33 Tab. 2: Übersicht über die in die räumliche und quantitative statistische Analyse und die Modellierung eingehenden Parameter...43 Tab. 3: Übersicht über die für die qualitative Standortanalyse verwendeten Parameter und Gutachten...43 Tab. 4: Die drei anhand des Tiedeeinflusses und der Topografie charakterisierten Standorttypen des Untersuchungsgebietes...46 Tab. 5: Übersicht über die sieben verschiedenen im Untersuchungsgebiet vorkommenden Nutzungstypen (verändert nach DIERSCHKE 1994)...46 Tab. 6: Übersicht über die für die tabellarische und grafische Darstellung zusammengefassten Biotoptypen in alphabetischer Reihenfolge und die kartierten Biotoptypen des Unterweservorlandes mit Beschreibung nach v. DRACHENFELS (1994)...53 Tab. 7: Flächenanteile der Biotoptypen (für die tabellarische Übersicht zu größeren Einheiten zusammengefasst) im Status quo (in alphabetischer Reihenfolge) des Vorlandes der Unterweser in ha und %...54 Tab. 8: Einstufung der Bodenkundlichen Feuchtestufe (BKF, aus MÜLLER 1997)...64 Tab. 9: Flächenanteile der verschiedenen Vorlandtypen im Status quo: Tidebeeinflusstes Vorland ohne Wattflächen, Sommerpolder und Spülfeld in ha und %...68 Tab. 10: Übersicht über die Ergebnisse der symmetrischen Kreuzvalidierung für die abhängigen Variablen Nutzungstyp, kartierte Biotoptypen und aggregierte Biotoptypen. Die Fehlklassifikationsrate und die korrekte Klassifikationsrate sind in % angegeben (Zahl der für die abhängigen Variablen berechneten Klassen in Klammern)...85 Tab. 11: Gegenüberstellung der Flächenanteile der für den Status quo abgeleiteten Nutzungstypen und der mit dem VS-Modell für den Status quo prognostizierten Flächenanteile der Nutzungstypen in ha und %...89 Tab. 12: Gegenüberstellung der Flächenanteile der aggregierten Biotoptypen, s. Anhang Tab. A11 (für die tabellarische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengafasst, s. Tab. 6) im Status quo und ihrer für den Status quo mit dem VS-Modell prognostizierten Flächenanteile in ha und %...91 Tab. 13: Übersicht über die für die Modellierung der Nutzungstypen und Biotoptypen verwendeten Standortparameter...92

9 Inhalt ABBILDUNGSVERZEICHNIS Abb. 1: Schritte der Modellbildung, Schema des Ablaufplanes zur Ableitung des Prognosemodells zur Modellierung der räumlichen Verteilung der Vorlandvegetation (nach MÜLLER et al. 1996, verändert)...8 Abb. 2: Deutsche Bucht und die Unterweser: Das Untersuchungsgebiet, das Vorland der Unterweser, liegt zwischen Bremen und Bremerhaven im Nordwesten Deutschlands (Quelle um Beschriftungen ergänzt aus dem World Wind-Programm der NASA: Abb. 3: Das Unterweservorland zwischen Bremen und Bremerhaven mit Sommerpoldern, tidebeeinflusstem Vorland und Spülfeldern, den Landkreisen Wesermarsch, Cuxhaven und Osterholz und der Unterweser...18 Abb. 4: Für bestimmte Pegelpunkte (Unterweserkilometer) zwischen Elsfleth und Bremerhaven gemessene und im Längsverlauf der Unterweser modellierte Salzgehalte im Status quo (Sq) und für das Klimaszenario (Ks) für ausgewählte niedrige (ca. 140 m³/s), mittlere (ca. 350 m³/s), hohe Oberwasser (ca m³/s) und daraus berechnete Mittelwerte für die Referenzjahre 1991 und 1994 (n = 305), (Modellierung des TP Unterwesersimulation)...37 Abb. 5: Schematische Übersicht über die Vorgehensweise bei der Datenintegration in das GIS und bei der Modellierung der Biotoptypen und Nutzungstypen mittels des VS-Modells auf Basis des CART-Verfahrens (Diagramm verändert nach DUTTMANN 1999)...47 Abb. 6: Beispielhafte Darstellung eines mit dem CART-Verfahren für die Prognose der Biotoptypen berechneten Entscheidungsbaumes (Ausschnitt)...51 Abb. 7: Biotoptypenverteilung (für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengefasste Biotoptypen) der Unterweservorländer im Status quo zwischen Bremen und Bremerhaven...55 Abb. 8: Mittelwerte und Standardabweichungen der Höhenlagen der Biotoptypen (für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengefasst) im Status quo bezogen auf das MThw. Differenz aus Höhen und MThw der Jahre 1991 und 1994 [m] NN, ohne Berücksichtigung der Sommerpolder, Quelle: Teilprojekt Unterwesersimulation, a)= Bolboschoenus maritimus, b)= Phragmites australis...57 Abb. 9: Mittlere tägliche Überflutungsdauer der Biotoptypen (für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengefasst) in Stunden pro Tag im Status quo (ohne Berücksichtigung der Sommerpolder) auf Basis des MThw und MTnw der Jahre 1991 und 1994, Quelle: Teilprojekt Unterwesersimulation. a)= Bolboschoenus maritimus, b)= Phragmites australis...59 Abb. 10: Mittlere Salzkonzentration [psu] der Jahre 1991 und 1994 für repräsentative Oberwasser bezogen auf die Biotoptypen (für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengefasst) im Status quo (ohne Berücksichtigung der Sommerpolder, Quelle: Teilprojekt Unterwesersimulation. a)= Bolboschoenus maritimus, b)= Phragmites australis)...61 Abb. 11: Flächenanteile der Biotoptypen (für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengefasst) im Status quo in ha bezogen auf die im Untersuchungsgebiet vorkommenden Bodentypen, aus NLFB (1999)...62 Abb. 12: Flächenanteile der Biotoptypen (für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengefasst) im Status quo in ha bezogen auf die im Untersuchungsgebiet für die anstehenden Bodentypen angegebenen Bodenkundlichen Feuchtestufen (BKF), aus NLFB (1999)...63 Abb. 13: Flächenanteile der Biotoptypen (für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengefasst) im Status quo in ha bezogen auf die im Untersuchungsgebiet vorkommenden Nutzungstypen...65 Abb. 14: Räumliche Verteilung der Nutzungstypen der Unterweservorländer im Status quo zwischen Bremen und Bremerhaven...67 Abb. 15: Flächenanteile der Biotoptypen (für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengefasst) im Status quo in ha bezogen auf die im Untersuchungsgebiet vorkommenden Standorttypen Sommerpolder, Tidevorland und Spülfeld...68

10 Inhalt Abb. 16: Schematische Übersicht über die bei der Modellierung berücksichtigten Standortparameter (weiß hinterlegt) und nicht berücksichtigen Standortparameter (grau hinterlegt) zur Vorhersage der Biotoptypen (weiß hinterlegt und grau umrandet) und der Nutzungstypen (weiß hinterlegt und grau umrandet). Die mit gestrichelten Pfeilen gekennzeichneten Zusammenhänge können innerhalb des Modells nicht berücksichtigt werden...79 Abb. 17: Schema des symmetrischen Testes nach der Methode der Kreuzvalidierung...83 Abb. 18: Gegenüberstellung der anhand des VS-Modells modellierten Flächenanteile der Nutzungstypen des Untersuchungsgebietes in ha im Status quo und infolge einer Klimaänderung (Klimaszenario) mit Nutzungsszenario 1 und Nutzungsszenario Abb. 19: Modellierte räumliche Verteilung der Nutzungstypen der Unterweservorländer zwischen Bremen und Bremerhaven infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario Abb. 20: Übersicht über zu erwartende Veränderungen der Verteilung der Nutzungstypen der Unterweservorländer zwischen Bremen und Bremerhaven infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario 1 im Vergleich zum Status quo...97 Abb. 21: Modellierte räumliche Verteilung der Nutzungstypen der Unterweservorländer zwischen Bremen und Bremerhaven infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario Abb. 22: Übersicht über zu erwartende Veränderungen der Verteilung der Nutzungstypen der Unterweservorländer zwischen Bremen und Bremerhaven infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario 2 im Vergleich zum Status quo...99 Abb. 23: Gegenüberstellung der anhand des VS-Modells modellierten Flächenanteile der aggregierten Biotoptypen s. Anhang Tab. A11 (die für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengafasst wurden) des Untersuchungsgebietes in ha im Status quo und infolge einer Klimaänderung (Klimaszenario) mit Nutzungsszenario 1 und Nutzungsszenario 2 (Röhricht > MThw = Röhricht über MThw, Röhricht < MThw = Röhricht unter MThw) Abb. 24: Repräsentativer Ausschnitt des Untersuchungsgebietes: Gegenüberstellung der Biotoptypenverteilung des Status quo und der Biotoptypenverteilung infolge einer Klimaänderung für Nutzungsszenario 1 für den nördlichen Teil des Harrier Sandes und die Strohauser Plate (aggregierte Biotoptypen s. Anhang Tab. A11) Abb. 25: Repräsentativer Ausschnitt des Untersuchungsgebietes: Gegenüberstellung der Biotoptypenverteilung des Status quo und der Biotop-typenverteilung infolge einer Klimaänderung für Nutzungsszenario 2 für den nördlichen Teil des Harrier Sandes und die Strohauser Plate (aggregierte Biotoptypen s. Anhang Tab. A11) Abb. 26: Modellierte räumliche Verteilung der Biotoptypen (aggregierte Biotoptypen s. Anhang Tab. A11, die für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengafasst wurden) der Unterweservorländer zwischen Bremen und Bremerhaven infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario Abb. 27: Übersicht über zu erwartende Veränderungen der Biotoptypenverteilung der Unterweservorländer zwischen Bremen und Bremerhaven infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario 1 im Vergleich zum Status quo Abb. 28: Modellierte räumliche Verteilung der Biotoptypen (aggregierte Biotoptypen s. Anhang Tab. A11, die für die grafische Darstellung zu größeren Einheiten zusammengafasst wurden) der Unterweservorländer zwischen Bremen und Bremerhaven infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario Abb. 29: Übersicht über zu erwartende Veränderungen der Verteilung der Biotoptypen der Unterweservorländer zwischen Bremen und Bremerhaven infolge einer Klimaänderung mit Nutzungsszenario 2 im Vergleich zum Status quo

11 Teil I - Einleitung 1 1 EINLEITUNG 1.1 Problemstellung Von den Auswirkungen einer möglichen Klimaänderung sind Küstenregionen und Ästuare unmittelbar betroffen (SCHUCHARDT & SCHIRMER 2005, BENISTON et al. 1998, JELGERSMA 1994). Als Ästuar ist der gesamte unter Tideeinfluss stehende Bereich eines ins Meer mündenden Flusses definiert. Ändert sich das Klima, ist mit einem Anstieg des Meeresspiegels und in der Folge mit einer Erhöhung des Tidehochwassers und einer Zunahme der Häufigkeit des Auftretens von Extremereignissen, wie Sturmfluten, zu rechnen (IPCC 2001). Verschieben sich die Mittelwerte der hydrologischen Größen und der Temperatur langfristig, hat dies auch direkten Einfluss auf die Vegetation der küstennahen tidebeeinflussten Vorlandlebensräume, die Bodenbildung, die Mineralisation und den Stoff- und Nährstoffhaushalt (NICHOLLS et al. 1999). Die ökologischen Auswirkungen einer Klimaänderung können vor allem dann gravierend sein, wenn landseitige Rückzugsgebiete durch Flussausbau und Bedeichung kaum zur Verfügung stehen (STERR 1998, SCHIRMER 1996, SCHIRMER 1994). Funktion und Charakteristik tidebeeinflusster Lebensräume Ästuare stellen Übergangszonen zwischen limnischen und marinen Ökosystemen dar und erfüllen wichtige ökologische Regulations-, Habitat- und Produktionsfunktionen (LOZÁN & KAUSCH 1996). Hier vollzieht sich ein regelmäßiger, intensiver Austausch von Wasser, gelösten und festen Stoffen und Organismen. Ausgedehnte Röhrichte, Seegras- und Salzwiesen haben dabei die Funktion biochemischer Filter für Nährstoffe und Puffer für Energieeinträge bei Überflutungsereignissen. Sedimentationsprozesse finden vor allem innerhalb strömungsberuhigter, mit Vegetation bewachsener Zonen statt. Während der Überflutungsperioden lagern sich die in der Tidewelle suspendierten Schweb- und Nährstoffe auf dem Vorland ab. Der organische Detritus dient als Substrat für Mikroorganismen für Mineralisations- und Bodenbildungsprozesse. Flussunterläufe sind daher hochproduktive Habitate (DAY et al. 1989) und stellen wichtige Aufwuchs- und Lebensräume für Fische und Makrozoobenthos dar. Das große Nährstoffangebot wird auch von mit dem Flutstrom einwandernden marinen Fisch- und Krebsarten genutzt. Kennzeichnend für den tidebeeinflussten Lebensraum Ästuar ist eine von Jahr zu Jahr unterschiedliche Saisonalität und Ausprägung der hydrologischen und klimatischen Faktoren (GRABEMANN et al. 1999) sowie eine hohe räumliche und zeitliche Dynamik (BARNES 1974). Neben dem zwei Mal täglich wiederkehrenden Wechsel von Ebbe und Flut kommt es vor allem in niederschlagsreichen Jahren zu jahreszeitperiodischen Überflutungen. Die Effekte von Sturmfluten können, überwiegend gegen Ende des Winters und bei ungünstigen Wetterlagen oder Windrichtungen, durch das gleichzeitige Auftreten großer Oberwasserabflüsse aus dem Flusseinzugsgebiet noch verstärkt werden. Aus gewässer- und auenökologischer Sicht sind solche Hochwässer natürliche Ereignisse. Für die von

12 Teil I - Einleitung 2 Überschwemmungen betroffenen Bewohner flussnaher Gebiete stellen sie dagegen Katastrophen dar. Extremereignisse wie Sturmfluten, hohe oder niedrige Oberwasserabflüsse innerhalb eines Jahres und Hitze oder Frostereignisse können Dominanzverhältnisse und Bestandsdichten der Tier- und Pflanzengesellschaften stark verändern. Davon am stärksten betroffen sind Populationen mit langen Generationszeiten und Vegetationstypen in späten Sukzessionsstadien wie beispielsweise Auwälder (SCHIRMER 1996). Unter natürlichen oder naturnahen Bedingungen sind die tidebeeinflussten Ufer der Ästuare gemäßigter Breiten häufig durch eine mehr oder weniger scharfe Zonierung oder durch Übergänge von Vegetationseinheiten des offenen Wassers über amphibische Vegetation bis hin zu terrestrischer Vegetation charakterisierbar (HEJNY & SEGAL 1998). Dabei stellt der Wechsel von Trockenfallen und Überflutung den entscheidenden ökologischen Standortparameter für die ufernahen Lebensgemeinschaften der Vorlandbereiche dar (DISTER 1996). Die vorlandtypischen Pflanzenarten sind weitgehend an die herrschenden täglichen, saisonalen und interannuellen Streuungen der hydrologischen Parameter und der Klimaparameter angepasst und verfügen über Strategien zur Aufrechterhaltung oder Neuetablierung ihrer Populationen. Ursachen und mögliche Folgen einer Klimaänderung Unter dem Begriff Klima wird im Allgemeinen die langfristige Ausprägung des Wetters verstanden (HUPFER 1998). Die Variabilität des Klimas wird dabei durch langjährige Messreihen und den daraus errechneten Maßzahlen wie Mittelwerte, Extremwerte und Häufigkeitsverteilungen meteorologischer Klimaelemente beschrieben. Dazu gehören die Parameter Lufttemperatur (2 m Höhe über Grund), Niederschlagshöhe, Luftdruck, Wind, Strahlungsenergie, Wolkenbedeckung und die Konzentrationen verschiedener Gase und Spurenstoffe in der Atmosphäre, die Sonnenscheindauer, das Reflexionsvermögen der Oberfläche und weitere zusammengesetzte Größen (HANTEL 2005) Der Klimabegriff wird häufig für verschiedene Maßstabsebenen verwendet: Man spricht von globalem oder Weltklima, von Makroklima (bezogen auf Weltregionen), von Regionalklima (z.b. für Norddeutschland) und vom Mikroklima (bezogen auf einzelne Pflanzenbestände). Prozesse und Zustände, die das Klima bedingen, aufrechterhalten und verändern, werden allgemein als Klimafaktoren bezeichnet. Klimafaktoren sind unter anderem die Sonnenstrahlung, die Land-Meer- Verteilung und die Größe und Lage der Landmassen über dem Meeresspiegel. Das Klima einer Region wird von der allgemeinen Zirkulation der Atmosphäre und des Ozeans bestimmt, bei der Luftmassen und Meeresströmungen unterschiedlicher Temperatur den globalen Wärmetransport und Energieaustausch gewährleisten. Verschiebungen des so genannten Luftdruckgürtels und Intensivierungen oder Abschwächungen der ozeanischen Energietransporte können erhebliche regionale Klimaänderungen hervorrufen (HUPFER & SCHÖNWIESE 1998, STEINRÜCKE 1998). Ursachen für eine Änderung des Klimas werden vielfach in Veränderungen der atmosphärischen und ozeanischen Zyklen gesehen, die wiederum durch die Zyklen der Erdbahn, die Neigung der Erdachse und die Zyklen der Sonnenaktivität beeinflusst werden. Darüber hinaus wird das Klima auch durch

13 Teil I - Einleitung 3 den Treibhauseffekt und die Erhöhung der UV-B-Strahlung aufgrund der Verringerung der stratosphärischen Ozonschicht beeinflusst (IPCC 2001). In den vergangenen 250 Jahren wurde durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die Veränderungen der Landnutzung und Landwirtschaft (MOISIER 1998) eine Zunahme der Konzentration von Kohlendioxid um 30 %, von Methan um 145 % und von Stickstoffoxid um 15 % verzeichnet (ROECKNER 1998). Gleichzeitig konnte nachgewiesen werden, dass die mittlere Oberflächentemperatur der Erde seit Mitte des letzten Jahrhunderts um ca. 0,6 C angestiegen ist (IPCC 2001, HUPFER & SCHÖNWIESE 1998). Dabei besteht eine enge statistische Korrelation zwischen der Zunahme der globalen mittleren Oberflächentemperatur der Erde und der anthropogen verursachten Zunahme der klimawirksamen Gase (NICHOLLS 2000, WOODWELL et al. 1998, TOL & DE VOS 1998, HÄGER et al. 1998). Mögliche hydrologische Folgen einer Klimaänderung betreffen neben der Beschleunigung des Meeresspiegelanstieges und der Erhöhung des Tidehoch- und niedrigwassers sowie des Tidenhubs vor allem die Zunahme der Häufigkeit des Auftretens von Extremereignissen (IPCC 2001, SCHIRMER 1996). Eine veränderte Hydro- und Morphodynamik innerhalb des Ästuars hat neben einem veränderten Gehalt an gelösten Stoffen und einer Veränderung der Sedimentation durch die Verlagerung der Brackwasserzone und des Trübungsmaximums landeinwärts (GRABEMANN et al. 1999) auch direkte und indirekte Auswirkungen auf Flora und Fauna: Beispielsweise können höhere Niederschläge zu Auswaschungen von Nährstoffen und zu mehr Erosion durch Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit bei starken Oberwassern führen. Vor allem höhere Winter- und Sommertemperaturen können Stoffwechselprozesse verstärken und sowohl die Produktion (z.b. Biomassezunahme) als auch die Konsumption (Auf- und Abbau organischer Substanz) sowie die Mineralisationsprozesse im Boden verändern. Erhöhte Temperaturen und eine Verlängerung der Verweilzeiten des Wasserkörpers können zu Veränderungen des Sauerstoffhaushaltes und zu Nährstofffreisetzung und Eutrophierung im Ästuar führen und die Gewässergüte beeinflussen (IPCC 2001, GRABEMANN et al. 1999). Durch Temperaturerhöhungen können sich Dominanzverschiebungen und Veränderungen des Artenspektrums innerhalb von Flora und Fauna vollziehen (BEUKEMA & BROUNS 1990). Zum Beispiel kann es zu einer Verschiebung der Verbreitungsgrenzen von Pflanzen und Tieren (v. WESTERNHAGEN 1998, 1993) und zu einem erhöhten Anteil von Neozoen (SCHUCHARDT et al. 1999) und Neophyten (BRANDES & SANDER 1995, TABACCHI 1995) kommen. Der Verlust endemischer Populationen und litoraler Biozönosen könnte die Folge sein (BEST et al. 1993, BOER & DE GROET 1990). Bei der Betrachtung möglicher ökologischer Folgen einer Klimaänderung müssen auch die anthropogen veränderten Eigenschaften eines Ästuars berücksichtigt werden. Die Wirkung und die Ausprägung der hydrologischen Größen auf die Struktur und die Lebensgemeinschaften von Ästuaren hängen nicht nur von klimatischen Veränderungen, sondern auch stark vom Grad und der Intensität der Nutzung ab: Flussausbauten zur Schiffbarmachung, Eindeichungen und künstliche

14 Teil I - Einleitung 4 Ufersicherungen führen zu deutlichen Veränderungen der flusstypischen Morphodynamik und der räumlichen Strukturvielfalt von Ästuaren (SCHIRMER 1996). Als Folge verändern sich die hydrologischen Parameter wie Tidenhub, Größe des tidebeeinflussten Bereichs, Strömungsgeschwindigkeit, Lage der Brackwasserzone, Verweilzeiten des Wasserkörpers und die Gewässergüte. Der Ausbau von Ästuaren zu Schifffahrtsstraßen und auch die Landwirtschaft und Freizeitnutzung von Vorlandbereichen haben bereits vielfach zum Verlust ökologischer Funktionen und zum Rückgang auentypischer Lebensräume und Vegetation, wie beispielsweise Auwäldern und Röhrichten, beigetragen (CLAUS et al. 1998, CLAUS et al. 1994a, SCHIRMER 1994). 1.2 Stand der Klimafolgenforschung Dass der Mensch Anteil an der Veränderung der klimabestimmenden Eigenschaften der Atmosphäre hat und somit Einfluss auf das Klima selbst nimmt, wird inzwischen kaum mehr bezweifelt (GÖNNERT et al. 2004, SÜNDERMANN et al. 2001, WUEBBLES et al. 1999, KARL & TRENBERTH 1999). Weltweit erforschen Wissenschaftler in Afrika (HULME et al. 2001, MAGADZA 2000), Asien (ALI 1996), Europa (HULME & CARTER 2000, ZEIDLER 1997, KWADIJK & ROTMANS 1995) und Amerika (NOVACECK & CLELAND 2001), teilweise unterstützt durch das Klimaforschungsprogramm der USamerikanischen Regierung (USGCRP - United States Global Change Research Program: die möglichen Folgen der globalen Erwärmung und eines steigenden Meeresspiegels (SMITH & LAZO 2001, BOESCH et al. 2000, HULME et al. 1999). Die Forschungen zielen darauf ab, die sozio-ökonomischen Folgen für die Bevölkerung und die Staaten der betroffenen Regionen der Erde abzuschätzen. Deshalb werden unter anderem die Auswirkungen auf die Wasserressourcen (FEDDEMA & FREIRE 2001, JACKSON et al. 2001), auf die Nahrungsmittelproduktion (ROTTER & VAN DE GEIJN 1999, BACHELET & GAY 1993) und den landwirtschaftlichen Ertrag (KARING et al. 1999, ROUNSEVELL et al. 1999), auf die Forstwirtschaft (GREGORY & INGRAM 2000, HANSON & WELTZIN 2000) und die menschliche Gesundheit (PATZ et al. 2000, REITER 2001) untersucht (IPCC 2001). Dahinter steht das Bestreben, unter dem Aspekt der Vorsorge eventuelle Gefahren zu erkennen und Strategien zur Vermeidung oder Abmilderung der möglichen Klimafolgen entwickeln zu können (IPCC 2001, SCHERAGA & GRAMBSCH 1998). Ein weiterer Fokus der internationalen Forschung liegt auf der Abschätzung der Folgen einer Klimaänderung für die direkt von einem Meeresspiegelanstieg betroffenen Küstenökosysteme und Küstenlebensräume (NICHOLLS 2000, TITUS & NARAYANAN 1996, JELGERSMA et al. 1993), in denen derzeit ca. zwei Drittel der Weltbevölkerung leben. In Untersuchungen der weltweiten Auswirkungen eines klimainduzierten Meeresspiegelanstiegs auf Küstenökosysteme geht beispielsweise NICHOLLS et al. (1999) von einem Rückgang der Salzmarschen und der tidebeeinflussten Feuchtgebiete und Röhrichtzonen von insgesamt bis zu 25 % bis zum Jahr 2080 aus. Unter Berücksichtigung weiterer Faktoren, wie Landverbrauch und Urbanisierung, kann künftig sogar von einem Verlust von 40 % bis 50 % dieser Lebensräume ausgegangen werden.