Jens Arle. Friedrich-Schiller-Universität Jena Biologisch-Pharmazeutische-Fakultät Institut für Ökologie, AG Limnologie

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1 The effects of a small, low-head dam on benthic invertebrate communities and particulate organic matter storage in the Ilm stream (Thuringia / Germany) Jens Arle Friedrich-Schiller-Universität Jena Biologisch-Pharmazeutische-Fakultät Institut für Ökologie, AG Limnologie Gliederung: 1. Einleitung: Natürliche Fließgewässer, Effekte von Dämmen, Serial Discontinuity Concept, Untersuchungsziel, Hypothesen 2. Methoden: Untersuchungsgebiet, Probenahmestellen, Kompartimente des Systems, Design, Sampler 3. Ergebnisse: Gemeinschaft benthischer Invertebraten, Partikuläres organisches Material (POM), Invertebraten auf Steinoberflächen, Invertebraten - Drift, POM - Transport, Längszonierung benthischer Invertebraten 4. Zusammenfassung

2 1. Einleitung - Natürliche Fließgewässer Das River Continuum Concept (Vannote et al. 1980) beschreibt natürliche Fließgewässer als longitudinale Strukturen in deren Verlauf sich eine Vielzahl von Umweltfaktoren und in Folge auch die Zusammensetzung der Biozönosen kontinuierlich ändern. 1. Einleitung - Natürliche Fließgewässer Fließgewässer- Kontinuum: ein Gradient von Umweltfaktoren 1 Quelle Abfluß Fließgewässer - Ordnungszahl Mündung Nährstoffe Plankton Licht P/R - Verhältnis Tagestemperatur Jahresabfluß Jahres- temperatur Umwelt- heterogenität Gefälle Korngröß öße Strömung Sauerstoff Detritus - Partikelgröß öße

3 1. Einleitung - Natürliche Fließgewässer Biozönotische Längszonierung: aquatische Wirbellose 1 2 Quelle Weidegänger Räuber Zerkleinerer Fließgewässer - Ordnungszahl Weidegänger Räuber Räuber Sammler Zerkleinerer Sammler Mündung Sammler 1. Einleitung - Natürliche Fließgewässer Biozönotische Längszonierung: Fische 1 2 Quelle Forellenregion (Bachforelle, Elritze, Koppe, Schmerle) Fließgewässer - Ordnungszahl Mündung Äschenregion (Äsche, Forelle, Döbel, Nase) Barbenregion (Barbe, Ukelei, Hasel, Zander, Plötze) Brachsenregion (Brachse, Karausche, Karpfen, Wels, Hecht)

4 1. Einleitung - Effekte großer Staudämme Große Staudämme führen zu starken Veränderungen der physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen in Fließgewässer - Ökosystemen (Ward & Stanford 1983, Petts 1984, Collier et al. 1996) 1. Einleitung - Serial Discontinuity Concept Das Serial Discontinuity Concept (Ward & Stanford 1983 & 1995) beschreibt: Lokale, regionale und kumulative Effekte großer Staudämme Parameter X Parameter X Parameter X Oberlauf Mittellauf Unterlauf Fließgewässergröße (Ordnungszahl) Parameter X Parameter X Fließgewässergröße (Ordnungszahl) Natürliches Fließgewässer Großer Staudamm (Tiefenablaß) Staubeeinflußtes Fließgewässer

5 1. Einleitung - Barriere - Effekt Dämme agieren als Barrieren: Einschränkung von Wanderungen und Ausbreitungsbewegungen (Unterbrechung der longitudinalen Durchgängigkeit) Stromab Stromauf Damm anadrome und katadrome Fische (Lewis 1991, Mills 1989, Morita & Yamamoto 2002) aquatische Wirbellose (Marchant & Hehir 2002) 1. Einleitung - Effekte kleiner Staudämme Im Gegensatz zu großen Staudämmen ist sehr wenig über die ökologischen Effekte kleiner Dammstrukturen bekannt (< 5 m). (Benstead et al. 1999, Hart et al. 2002)

6 1. Einleitung - Ziel der Untersuchung Untersuchungsziel: qualitative und quantitative Abschätzung der Effekte eines Wehres auf die Gemeinschaft benthischer Invertebraten und deren Hauptenergieressource, dem partikulären organischen Material (POM) Benthische Invertebraten Partikuläres organisches Material (POM) 1. Einleitung - Energiefluß in limnischen Ökosystemen Laub CPOM Auslaugung mechanische Zerkleinerung mikrobielle Aktivität Zerkleinerer Ausflockung DOM FPOM mikrobielle Aktivität Sammler Carnivore Algen organische Schicht auf Steinen Weidegänger (nach Begon et al. 1992)

7 1. Einleitung - Hypothesen: 1. Ein Wehr verursacht Veränderungen der benthischen Lebensgemeinschaft und beeinflußt die Verteilung des partikulären organischen Materials (POM) in wehrnahen Fließgewässerabschnitten. 2. Diese Veränderungen sind lokal beschränkt und deshalb nicht mit den Effekten großer Staue vergleichbar. 3. Durch ein Wehr verursachte Barriere - Effekte sind für benthische Invertebraten von untergeordneter Bedeutung. 2. Methoden - Untersuchte Kompartimente des Systems Freilanduntersuchungen: Fließende Welle Steinoberflächen Barriere - Effekt (Hypothese 3) Benthal Generelle Effekte des Wehres auf benthische Invertebraten & POM (Hypothesen 1 & 2)

8 2. Methoden - Untersuchte Merkmale des Systems Fließende Welle Gemeinschaft benthischer Invertebraten Benthal Abundanz (Anzahl u./o. Biomasse) Diversität taxonomische u./o. funktionelle Zusammensetzung 2. Methoden - Untersuchte Merkmale des Systems Fließende Welle POM transportierte Menge (Seston) Zusammensetzung (org. / anorg.) Steinoberflächen Steinoberflächen Aufwuchs filamentöse Algen Benthal POM Menge ( standing stocks ) Zusammensetzung (Partikelgrößen)

9 2. Methoden - Untersuchungsgebiet 40 km Thüringen Jena Stadtilm Deutschland N Fließrichtung SS 1 SS 2 SS 3 SS 4 Fließrichtung naturnaher Abschnitt oberhalb des Wehres Staubereich Unterwasser naturnaher Abschnitt unterhalb des Wehres 2. Methoden - Probenahmestellen 500 m SS4 (naturnaher Abschnitt unterhalb des Wehres) SS3 (Unterwasser) SS2 (Staubereich) SS1 (naturnaher Abschnitt oberhalb des Wehres) N

10 2. Methoden - abiotische Faktoren Probenahmestelle Parameter SS1 SS2 SS3 SS4 Strukturgüteindex Maximale Beschattung (%) ~20 ~80 ~25 ~80 Fließgeschwindigkeit (m s -1 ) n=120 Simpson`s Habitat Diversität n=45 physikalische & chemische Faktoren : 0.29 ± ± ± ± ± ± ± ± 0.21 Temperatur ( C): Sauerstoff (%): Leitfähigkeit (µs/cm; 20 C): ph-wert: SS 1 SS 2 SS 3 SS km Luftlinie (bzw. 4.9 km Flußlinie) 2. Methoden - Die Wehrbereiche SS2 SS3 SS 1 SS 2 SS 3 SS 4

11 2. Methoden - Die Referenzbereiche SS1 SS4 SS 1 SS 2 SS 3 SS 4 2. Methoden - Untersuchung des Benthal Einströmöffnung (360 µm) 490 mm Griff Netzsack (360 µm) Hess-Sampler (Hess 1949) Öffnung (360 µm) 300 mm Ufer Fließrichtung B A Fließrichtung 100 Meter

12 2. Methoden - Der Untersuchungszeitraum Durchfluß (m 3 s -1 ) Meßstelle Gräfinau-Angstedt Proben pro Probenahmestelle im April, Juli, Oktober 2001 & Januar 2002 Jan 00 May 00 Sep 00 Jan 01 May 01 Sep 01 Jan 02 May 02 Sep Methoden - Untersuchung von Steinoberflächen Uferbank Fließrichtung ( ) - Steinproben Steingrößen - Selektion 124 ± 48 cm 2 je 24 Proben an drei Probenahmestellen im August 2001 SS 1 SS 2 SS 3 SS 4

13 2. Methoden - Untersuchung der fließenden Welle Driftsampler: schematisch 200 µm Fließrichtung im Freiland Sediment je 15 Proben pro Probenahmestellen im März 2003 Flußbett SS 1 SS 2 SS 3 SS 4 2. Methoden - Analyse bestehender Datensätze für die gesamte Ilm In der Ilm existieren > 50 Wehre: Stauhöhe: m Mittlere Distanz voneinander: 2.3 km Vier Datensätzen: Ephemeroptera (Zimmermann 1995) Trichoptera (Mey 1995) Chironomidae (Samietz 1995) S4 Coleoptera (Bellstedt 1995) Weimar S6 Mündung (~ 115 m ünn) S7 Saale S2 S1 S3 Stadtilm S5 N Manebach Ilmenau Gräfinau-Angstedt 10 km Freibach Taubach Quelle Lengwitz (~ 500 m ünn)

14 Verursacht das Wehr Veränderungen in der Gemeinschaft benthischer Organismen? 3. Ergebnisse - Gemeinschaft benthischer Invertebraten Individuen, > 80 Taxa Invertebraten - Abundanz: Inv. m April Juli Oktober Januar SS1 SS2 SS3 SS4 SS 1 SS 2 SS 3 SS 4

15 3. Ergebnisse - Gemeinschaft benthischer Invertebraten Abundanz Dichte (Inv. m -2 ) Biomasse (g m -2 ) Eipakete (Anz. m -2 ) (SS2 = SS3) > (SS1 = SS4) (SS3) > (SS1 = SS2 = SS4) (SS3) > (SS1 = SS4) > (SS2) Diversität Simpson`s index & Expected taxa richness Taxa pro Probe (SS1 = SS3 = SS4) > (SS2) (SS1 = SS3 = SS4); (SS3) > (SS2) SS 1 SS 2 SS 3 SS 4 3. Ergebnisse - Gemeinschaft benthischer Invertebraten Die taxonomische Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft -1.0 Achse 2 (14.4 %) Achse 1 (37.2 %) 1.0 SS 1 SS 2 SS 3 SS 4

16 3. Ergebnisse - Gemeinschaft benthischer Invertebraten Die funktionelle Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft 100 Relative Abundanz (%) Sedimentfresser Filtrierer / Strudler Räuber Weidegänger Parasiten Zerkleinerer Sedimentfresser Filtrierer/Strudler Räuber Weidegänger Parasiten Zerkleinerer 0 SS1 SS2 SS3 SS4 Probennahmestelle SS 1 SS 2 SS 3 SS 4 Verändert das Wehr die Verteilung des partikulären organischen Materials?

17 3. Ergebnisse - Partikuläres organisches Material hohe räumliche und zeitliche Variabilität POM Gesamt POM (g m -2 ) CPOM (g m -2 ) FPOM (g m -2 ) Gesamt POM (mg g -1 ) CPOM (mg g -1 ) FPOM (mg g -1 ) (SS2) > (SS1 = SS4) (SS1 = SS2 = SS3 = SS4) (SS2) > (SS1 = SS3 = SS4) (SS2) > (SS1 = SS3 = SS4) (SS2) > (SS1 = SS4) (SS2) > (SS1 = SS3 = SS4) CPOM / FPOM (SS1 = SS2 = SS3 = SS4) SS 1 SS 2 SS 3 SS 4 Barriere-Effekt Ist die Diversität unterhalb des Wehres reduziert?

18 3. Ergebnisse - Benthische Gemeinschaft auf Steinoberflächen Probenahmestelle Parameter SS1 SS2 SS3 SS4 Abundanz Anzahl (Inv. cm -2 ) 3.8 ± ± ± 0.6 Biomasse (mg cm -2 ) 0.07 ± ± ± 0.09 Diversität Taxaanzahl (gesamt) Simpson`s index Expected taxon richness 0.44 ± ± ± ± ± ± 1.21 Aufwuchs Organisches Material (mg cm -2 ) 1.64 ± ± ± 0.23 gesamt: Individuen; 32 Taxa SS 1 SS 2 SS 3 SS 4 Barriere-Effekt Wirkt das Wehr als Driftfalle für benthische Invertebraten?

19 3. Ergebnisse - Drift benthischer Invertebraten & POM - Transport Probenahmestelle Parameter SS1 SS2 SS3 SS4 Abundanz Anzahl (Inv. m -3 ) (inkl. terrest. Inv.) 16.9 ± ± ± ± 3.46 Planktische Gruppen (Inv. m -3 ) Benthische Gruppen (Inv. m -3 ) 9.86 ± ± ± ± ± ± ± ± 2.0 Diversität Taxaanzahl (Taxa m -3 ) Simpson`s index Partikeltransport POM (mg m -3 ) PIM (mg m -3 ) POM (%) 2.8 ± ± ± ± ± 0.1 ab 0.58 ± 0.1 b 0.63 ± 0.1 ab 0.67 ± 0.1 a 28 ± 7 ab 31 ± 4 a 24 ± 7 b 30 ± 6 ab 74 ± 61 ab 54 ± 4 b 51 ± 20 b 68 ± 14 a 31.9 ± ± ± ± 2.1 gesamt: 2714 Individuen; 25 Taxa SS 1 SS 2 SS 3 SS 4 Kumulative Effekte durch die Ilm-Wehre?

20 3. Ergebnisse - Artenzahl benthischer Invertebraten Veränderung der Artenzahl benthischer Invertebraten entlang der Ilm ( ) Quelle 100 Mündung Artenanzahl qualitativer Trend in natürlichen Fließgewässern (basierend auf den Vorhersagen des RCC) beobachteter Trend in der Ilm Flußkilometer Ergebnisse - Längszonierung benthischer Invertebraten (1) -2.0 Achse 2 (19.3%) 2.0 Unterlauf Limnephilus incisus Limnephilus ignavus (6 Arten) Apolda - Nauendorf (S6) Hydroptila sparsa Hydrop. angustipennis Hydrop. dinarica Großheringen (S7) Mittellauf Hydrop. incognita Brilla longifurca Polypedilum sp. (3) Hydrop. pellucidula Paratanytarsus inopertus Dienstedt (S4) (7 Arten) Cricotopus bicinctus Microtendipes pedellus Buchfart (S5) Chironomus sp. Thienemannimyia sp. Cricotopus sp. (1) Ecdyonurus torrentis Ceraclea alboguttata Sericostoma flavicorne Limnophyes minimus Tvetenia aterrima Micropsectra atrofasciata Gräfinau-Angstedt (S3) (9 Arten) Eukieferiella claripennis Polypedilum sp. (2) & (4) Paratendipes albimanus Polypedilum apfelbecki Brilla modesta (9 Arten) Bryophaenocladius sp. Orthocladius sp. (1) Orthocladius sp. (2) (19 Arten) Ecclisopteryx dalecarlica Micrasema longulum Epeorus sylvicola Phaenopsectra flavipes Rhrithrogena picteti Baetis rhodani Glossosoma conformis Polypedilum laetum (9 Arten) Baetis vernus Hydrop. contuberalis Limnephilidae sp. Chironomus riparius Limnephilus extricatus Anommalopt. chauvin. Micropsectra notescens Baetis fuscatus Rhyacophila nubila Ephemerella mucronata Smittia aterrima Ephemerella ignita Hydropsyche sp. Habrophlebia lauta Rheocricotopus effusus Polycentropus flavomaculatus Hydrop. instabilis Micrasema longulum Manebach (S2) -2.0 Achse 1 (33.4%) 2.0 Stützerbach (S1) Oberlauf

21 3. Ergebnisse - Längszonierung benthischer Invertebraten (2) Hypopotamal Quelle Mündung Metapotamal Epipotamal Hyporhithral Metarhithral Epirhithral Hypokrenal Eukrenal Flußkilometer (km) Erwarteter Trend nach Braukmann (1987) Errechneter Indexwert der Biozönose basierend auf Kriterien der Ökologischen Typisierung nach Schmedtje & Colling (1996) 4. Zusammenfassung

22 4. Zusammenfassung 1. Das Wehr verursacht Veränderungen der benthischen Lebensgemeinschaft und beeinflußt die Verteilung des partikulären organischen Materials in wehrnahen Fließgewässerabschnitten. 2. Diese Veränderungen sind lokal beschränkt und deshalb nicht mit den Effekten großer Staue vergleichbar. Wehr Variable Invertebrateneier Diversität POM Abundanz &(Ind.-anzahl) (Biomasse) -eipakete Flußkilometer 4. Zusammenfassung 3. Durch das Wehr verursachte Barriere - Effekte sind für benthische Invertebraten von untergeordneter Bedeutung. Gemeinschaft auf Steinoberflächen Invertebraten - Drift 4. kein Hinweis auf die Existenz kumulativer Effekte auf die Gemeinschaft benthischer Invertebraten durch die Wehre der Ilm

23 4. Zusammenfassung - Neue Hypothese: Ursprünglich Heute Morgen? Wehr POM Die Wehre kompensieren (zumindestens teilweise), den Verlust an natürlichen Retentionsstrukturen. Meinen Dank an: Prof. Dr. Stefan Halle, Dr. HD Kirsten Küsel, Prof. Dr. Heinz Brendelberger, Prof. Dr. Hans-Peter Hack, Dr. Wilfried Schönborn, Dr. Falko Wagner, Dr. Jan Rothe, Heike Geilmann, Dr. Gert Gleixner, Prof. Dr. Schulze, Dr. Jens Schumacher, Dr. PD Heike Zimmermann-Timm, Peter Kengel, Andrea Lange, Elisabeth Pohlon, Andreas Planck, Marcel Knieling, Andreas Planck, Cindy Tefs, Dirk Lauterbach, Thomas Meisel, Eva-Barbara Meidl, Dr. Marzio Fattorini, Dr. Victoria Temperton, Marlene Wllkomm, Volkmar Haus, Denise Göpfert, Anita Lange, Sandra Kröwer, Alle Kollegen aus der Arbeitsgruppe Limnologie!!!, H. Teddy, M. Katze, Frank Arle, Helge & Helmut Arle, Deutsche Forschungsgemeinschaft, Staatliches Umweltamt Erfurt, Abteilung Wasser der Stadtwerke Jena

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