Natürliche Seen Deutschlands Aktueller Stand zur Dokumentation, Typisierung und Bewertung anhand des Phytoplanktons

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1 Natürliche Seen Deutschlands Aktueller Stand zur Dokumentation, Typisierung und Bewertung anhand des Phytoplanktons Hemm, Mike, Hoffmann, Anja, Mischke, Ute & Nixdorf, Brigitte Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Gewässerschutz Seestraße 45, Bad Saarow Einleitung Im Rahmen des Forschungsprojektes Dokumentation von Zustand und Entwicklung der wichtigsten Seen Deutschlands (Auftraggeber Umweltbundesamt, Nr. FKZ ) werden die natürlichen Seen Deutschlands nach folgenden Größen erfasst: Morphometrie, Topographie, charakteristische limnochemische Parameter, Trophie, planktische und benthische Besiedlung sowie Nutzung und anthropogene Einflüsse der Gewässergüteentwicklung. Das Projekt soll dazu dienen, eine flächendeckende Dokumentation des Zustands der wichtigsten natürlichen Seen sowie Baggerseen über 50 ha Fläche in Deutschland nach einheitlichen Kriterien zu liefern. Dieses Vorhaben hat für die Implementierung der EU-Wasserrahmenrichtlinie besondere Bedeutung. Das Projekt Leitbildbezogenes Bewertungsverfahren für Phytoplankton in Seen wird im Auftrag der LAWA-AG Stehende Gewässer und der ATV/DVWK durchgeführt. Es dient dazu, ein ökologisches Bewertungsverfahren anhand der Artenzusammensetzung und der Biomasse des Phytoplanktons für Seen zu entwickeln. Anliegen des Beitrages ist es, den Stand der Arbeiten zu dokumentieren und die bislang gesammelten Daten im Zusammenhang mit den von der LAWA-AG entwickelten Typisierungsansätzen für Seen zu prüfen. Ein Ziel dieser Untersuchungen ist es, Referenzseen für den guten und sehr guten ökologischen Zustand gemäß EU- Wasserrahmenrichtlinie sowie die einzelnen Degradationsstufen für die entsprechenden Seetypen zu benennen. Die Auswahl der Seen wird sich dabei zunächst auf die biologische Qualitätskomponente Phytoplankton und damit auf den Komplex Trophie beschränken. An Beispielen werden offene Fragen und Probleme aufgezeigt. Der aktuelle Stand der Datenerfassung Wie viele Seen es in Deutschland gibt, ist bislang trotz intensiver Recherchen nicht genau bekannt. Schätzungen gehen davon aus, dass es ca bis Seen mit einer Fläche 1 ha in Deutschland gibt. Bisher (Juni 2001) sind Gewässer namentlich in unserer Datenbank erfasst worden. Davon sind 4812 Gewässer von den zuständigen Bearbeitern der Bundesländer als künstliche Seen (Speicher, Baggerseen, Gruben) ausgewiesen. In folgender Statistik werden nicht nur die natürlichen Seen, sondern die Standgewässer im Allgemeinen betrachtet. Zu diesen zählen im weiteren die natürlichen Seen und die künstlichen Seen mit Ausnahme der Braunkohlentagebauseen. Die meisten Standgewässer 1 ha befinden sich in den Bundesländern Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern und Bayern (Abb. 1 oben). In der Grafik konnten noch nicht alle Daten zu den Bundesländern Rheinland-Pfalz und Thüringen berücksichtigt werden, da die Recherchen noch nicht abgeschlossen sind. Von diesen Standgewässern sind ha und ha. Die letzteren sind in der EU-WRRL als überwachungspflichtig eingestuft. In Brandenburg und Mecklenburg- 1

2 Vorpommern befindet sich auch die größte Anzahl der Seen 50 ha, dicht gefolgt vom Freistaat Bayern (Abb. 1 unten) Seenanzahl Brandenburg Mecklenburg-Vorpommern Bayern Baden-Württemberg Hessen Schleswig-Holstein Sachsen Rheinland-Pfalz Sachsen-Anhalt Niedersachsen Nordrhein-Westfalen Berlin Bremen Hamburg Thüringen Saarland Seenanzahl Brandenburg Mecklenburg-Vorpommern Bayern Schleswig-Holstein Nordrhein-Westfalen Niedersachsen Baden-Württemberg Sachsen-Anhalt Berlin Sachsen Hessen Rheinland-Pfalz Hamburg Saarland Bremen Abb. 1: oben: Anzahl der bislang erfassten Standgewässer 1 ha in den einzelnen Bundesländern Deutschlands (n = 9236); unten: Anzahl der bislang erfassten Standgewässer 50 ha in den einzelnen Bundsländern Deutschlands (n = 763), (natürliche Seen und künstliche Seen mit Ausnahme der Braunkohlentagebauseen, Daten der BTU Cottbus UBA Projekt: "Natürliche Seen Deutschlands" - FKZ ), 2001). 2

3 Vorläufige Typisierung von natürlichen Hartwasserseen in Deutschland nach Entwurf der LAWA-AG Stehende Gewässer Gemäß der derzeitigen Datengrundlage konnten 67 Seen > 50 ha in ein vorläufiges Typisierungsschema der LAWA-AG Stehende Gewässer eingeordnet werden. Die Einteilung erfolgte nach der Ökoregion, in der sich das Gewässer befindet, sowie nach morphologischen, chemischen und biologischen Kriterien. Weiterführend sollen in Kombination mit Daten zur Phytoplanktonbiomasse und Phytoplanktonzusammensetzung typenspezifische Referenzzustände und die einzelnen Degradationsstufen definiert werden. a) Ökoregionen in Deutschland: Es lassen sich die Alpen und Voralpen, das Mittelgebirge sowie das Flachland unterscheiden. Die meisten Seen der Alpen und Voralpen sind tiefe, dimiktische Hartwasserseen, die sich nach der derzeitigen Trophiebewertung (LAWA 1998) im Vergleich zu den Hartwasserseen der anderen Ökoregionen in relativ gutem trophischem Zustand befinden. So ist die Phytoplanktonentwicklung, gemessen an der mittleren Chlorophyll a-konzentration und Phytoplanktonbiomasse, in diesen Seen bei gleichen bzw. ähnlichen, mittleren Gesamtphosphorkonzentrationen geringer. Dieser Unterschied wird bei der vergleichenden Betrachtung der Flachseen umso deutlicher. b) Gesamthärte: Die Unterscheidung in Hart- und Weichwasserseen erfolgt nach der Calciumkonzentration > 15 mg/l bzw. <= 15 mg/l des Gewässers. Die meisten Seen Deutschlands sind Hartwasserseen. Nur bei einigen natürlichen Seen und einer Anzahl von künstlichen Gewässern in der Mittelgebirgsregion handelt es sich um Weichwasserseen. Da für diese Seen wegen der überwiegend durch Wald geprägten Einzugsgebiete ein potentiell nährstoffarmer Zustand angenommen wird,, finden sie für die Bewertung der ökologischen Gewässerqualität in dieser Studie keine Berücksichtigung. c) Volumenquotient [m²/m³]: Dieser Parameter stellt das Verhältnis von Einzugsgebietsfläche zum Seevolumen dar und beschreibt somit den Einfluss der Einzugsgebietsgröße und damit verbundener potentieller Stoffeinträge auf den trophischen Zustand des Gewässers unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Seemorphometrie. Es werden Seen mit Volumenquotienten (VQ) > 1,5 von solchen mit VQ <= 1,5 unterschieden. Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Seen mit kleinem Volumenquotient oft eine niedrigere Trophiestufe aufweisen als diejenigen mit großem Volumenquotienten. d) Tiefengradient (F): Dieser gibt das Verhältnis von maximaler Seetiefe zur theoretischen Epilimniontiefe an und ist ein Maß für die Schichtungsstabilität des Gewässers. Die theoretische Epilimniontiefe lässt sich aus der effektiven Achsenlänge des Sees ableiten, welche wiederum den Mittelwert aus effektiver Länge und effektiver Breite darstellt. Seen mit F > 1,5 sind in der Regel im Sommer thermisch stabil geschichtet. In Abwandlung zum Typisierungsentwurf der LAWA dient der Tiefengradient > 1,5 bzw. <= 1,5 hier zur Unterscheidung der mono- und dimiktischen Seen von polymiktischen Seen, die in den meisten Fällen einen höheren trophischen Status besitzen. e) Weitere Kriterien wie die theoretische Wasseraufenthaltszeit wurden in dieser Studie bisher nicht berücksichtigt. Dieser Parameter wird v.a. für die Typisierung von Flussseen mit starkem Zu- und Abfluss und entsprechend geringer Aufenthaltszeit 3

4 sowie für langsam fließende und planktondominierte Fließgewässer von Bedeutung sein. Klassifizierungsverfahren anhand der Biomasse des Phytoplanktons In der Abbildung 2 sind einige Verfahren zur Klassifikation von Standgewässern anhand der Phytoplanktonbiomasse vergleichend dargestellt. Unser bisheriger Phytoplanktondatensatz enthält Daten zur Biomasse einzelner Taxa aus 134 Seen und Flüssen. Von diesen sind 104 größer als 50 ha. Wendet man das System von Willen (2000) auf diesen Datensatz an, ergibt sich eine Trophieklassifikation für die dimiktischen Seen in etwa 55 % oligo- und mesotroph, 18 % eutroph 1 und 2 und 27 % hypertroph. Die meisten oligo- und mesotrophen Seen befinden sich in der Alpen- und Voralpenregion. Für diese Seen werden wir künftig das mehrstufige Modell von Schaumburg et al. (2001) anwenden. Für polymiktische Seen, die fast vorwiegend im Tiefland vorkommen, ist das Klassifizierungsverfahren nach Willen (2000) nicht anwendbar. Danach würden 93 % aller Flachseen als hypertroph eingestuft werden. Hier werden andere Verfahren bzw. Modifikationen Anwendung finden, wie sie beispielsweise bei Behrendt & Opitz (1996) dokumentiert sind. Järnefelt (1958, zit.in Hutchinson 1967) 1) Heinonen & Herve (1982), Wasservers. TGL (1982) Brettum (1989) Willén (2000) Biomasse, Mittelwert [mg/l] Vollenweider(1968) Likens (1975) Heinonen (1980), midsummer Brettum (1989) Willén (2000), August Biomasse, Maximum [mg/l] Abb. 2: Klassifizierungsverfahren anhand des Parameters Phytoplanktonbiomasse (aus Knopf et al. 2000). Die Notwendigkeit einer getrennten Bewertung der Seen in den unterschiedlichen Ökoregionen ergibt sich auch aus der Tatsache, daß die eutrophen Seen des Tieflandes nicht nur sehr hohe Phytoplanktonbiomassen aufweisen, sondern auch häufig von 4

5 Cyanobakterien dominiert werden. Dieser Umstand wird aus der Abbildung 3 deutlich, in der die Gesamtbiovolumina von Seen aus der Alpen- und Voralpenregion mit denen des Tieflandes auch bezüglich der Anteile an Cyanobakterien verglichen werden. 40 Biovolumen des Phytoplanktons ohne Cyanobakterien Biovolumen der Cyanobacterien 30 Biovolumen [mm³/l] Seen der Alpen und Voralpen Seen des Tieflandes 0 Wörth93 Tegern98 Parst91 Walch95 König00 Weissen97 Parst90 Pilsen93 Walch97 Tegern91 Bann97 Bann98 NieSont97 Rosin91 Parst92 Ülage91 Tegern92 Staffel92 Kochel90 Alp98 NieSont98 Ammer98 Ammer93 Starn97 Hart98 Ammer94 Kochel91 Weissen98 Rosin90 Waging92 Plage90 Ammer99 Alp97 Taching96 Ammer96 Ratze00 Sims96 Taching92 Plön98 PlönS98 Ratze00 Rosin92 Schluen89 Chiem95 Waging96 GGlubig99 Chiem93 GPlön98 Hopf96 Chiem95 JabelN99 GPlön00 JabS99 GPlön99 Küche00 Scharm00 Chiem93 Hopf97 Scharm94 Warder96 Warder96 Tegel00 Insel95 Chiem93 Schlier90 Sprenzer95 Hopf98 Pelham97 Tegel99 Plötz99 Küche00 Plötz00 Dob00 Neuklos97 Sed99 Scharm96 Dämm99 Mügg93 Dober99 Warder Mügg79 Scharm95 Neuklos97 Mügg82 Scharm93 Mügg90 Schlier91 Sed00 Mügg84 Dämm00 Mügg90 Mügg91 Mügg87 Mügg80 LanB99 Mügg81 Tet97 Mügg92 Wann00 Mügg83 Mügg85 Tet97 Mügg89 Tet97 Schlier93 Zeuth99 LanB00 Wann99 Mügg86 Schlier92 Mügg88 Zeuth00 Mel00 Mel99 LanD99 LanD00 Pet00 Schlier96 Abb. 3: Biovolumina des Phytoplanktons in Seen der Alpen- und Voralpenregion und Anteile der Cyanobakterien an der Gesamtbiomasse (Nixdorf et al. 2001). Fragen und Ausblick zur Bewertung Die Datenlage zu den Seen und ihrer phytoplanktischen Besiedlung wird nach Eingang noch ausstehender Daten aus Brandenburg und Mecklenburg/V. eine erste Bewertung nach Referenzzuständen der einzelnen Typen und ihrer Degradationszustände anhand der Biomasse des Phytoplanktons erlauben. In welchem Maße die Artenzusammensetzung dabei berücksichtigt wird, hängt von der Modifikation der skandinavischen Ansätze von Hörnström (1981) und Brettum (1989) ab und wird derzeit getestet. Folgende Fragen werden zu beantworten sein: 1. Welches können Referenzzustände für Standgewässer des Tieflandes, insbesondere für die sehr flachen Seen sein? 2. Für die Seen der Alpen und des Alpenvorlandes existieren typenspezifische Referenzzustände ( The best of... ), die für die Tieflandseen jedoch keine Anwendung finden. Hier versuchen wir, mit paläolimnologischen Verfahren einen historischen Referenzzustand zu rekonstruieren. 5

6 3. Ist das Biovolumen als Güteparameter aussagekräftiger als die Chlorophyll a- Konzentration (Messkapazität und Artenkenntnis)? 4. Welche Biomasse an Cyanobakterien ist für den guten ökologischen Zustand akzeptabel (Frage der Blüten)? 5. Gibt es Arten bzw. Assoziationen für die einzelnen Degradationsstufen der Seen? Diese Fragen sollen bis 2003 mit der Entwicklung eines Bewertungssystems "Phytoplankton in Seen" beantwortet sein! Literatur Behrendt, H. & D. Opitz, 1996: Ableitung einer Klassifikation für die Gewässergüte von planktondominierten Fließgewässern und Flussseen im Berliner Raum. Studie im Auftrag der Senatsverwaltung für Stadtentwicklung und Umweltschutz. Berichte des Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei im Forschungsverbund Berlin e.v. Heft 1: Brettum, P., 1989: Alger som indikatorer på vannkvalitet i norske innsjøer. Planteplankton.-NIVA, Postbox 33, Blindern, Oslo. Daten der BTU Cottbus (UBA Projekt: "Natürlichen Seen Deutschlands" - FKZ ), 2001: Nixdorf, B. & Hemm, M., Brandenburgische Technische Universität Cottbus, Lehrstuhl Gewässerschutz, Forschungsstelle Bad Saarow, Bad Saarow, Seestraße 45. Hörnström, E., 1981: Trophic characterization of lakes by means of qualitative phytoplankton analysis. Limnologica 13: Knopf, K., Hoehn, E., Mischke, U. & Nixdorf, B. (2000): Klassifizierungsverfahren von Seen anhand des Phytoplanktons. Teil I der Literaturstudie über Ökologische Gewässerwertung Phytoplankton im Auftrag der ATV/DVWK und LAWA-AG Stehende Gewässer, 100 S. Nixdorf, B., Mischke, U., Hoffmann, A., Hemm, M. & Hoehn, E., 2001: Classification and assessment of lakes in Germany according to the biological indicator phytoplankton - first results. Terma Nord 2001, 584: Willen, E. 2000: Phytoplankton in water quality assessment - an indicator concept. In P. Heinonen, G. Ziglio & A. Van der Beken (eds), Hydrological and Limnological Aspects of Lake Monitoring John Wiley & Sons Ltd.: