Primärproduktion in Fließgewässern

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Primärproduktion in Fließgewässern
Fließgewässermorphologie und Abschätzung der Primärproduktion von Phytoplankton, Mikrophytobenthos und Makrophyten in Fließgewässern auf der Basis von Tagesschwankungen der Sauerstoffkonzentration des Wassers

Author:
Datum: Michael Böhme, Boehme@gmx.de
20.01.1998 ©

Worum geht´s:

Ich bin besonders an Beziehungen zwischen Fließgewässermorphologie und Primärproduktion von Fließgewässer-Lebensgemeinschaften interessiert. Tagesschwankungen der Sauerstoffkonzentration dienen der Abschätzung der Primärproduktion und community respiration (modifzierte Methode nach ODUM 1956). Möglich sind 1- oder 2-Stationen-Analysen.
Für die Analyse werden folgende Daten benötigt:

Morphologische und hydrologische Basisdaten (Tiefe, Fließgeschwindigkeit, Rauhigkeit des Gewässerbettes, Durchfluß,... in Abhängigkeit vom schwankenden Wasserstand),
Fließgewässer-Monitoringdaten wie Sauerstoffkonzentration, Wassertemperatur, Wasserstand, (Leitfähigkeit, pH-Wert,...),
meteorologische Monitoringdaten: Licht, (Wind,...).

Die zeitliche Auflösung der Monitoringdaten sollte zwischen 1 Minute und 1 Stunde betragen, beim Wasserstand größerer Flüsse reichen auch tägliche Werte.
Die Methode funktioniert nur dann zuverlässig, wenn der Austausch von Sauerstoff mit der Atmosphäre im Vergleich zur Primärproduktion und community respiration gering ist. Deshalb sollten die Fließgewässer nicht sehr turbulent und sehr flach sein, und gleichzeitig eine geringe Biomasse von Algen oder höheren Wasserpflanzen aufweisen (z.B. oft in Hochgebirgsbächen).

Am interessantesten sind Flachland-Fließgewässer aus ganz Deutschland, Polen, dem Baltikum und anderen Teilen Osteuropas, aber auch andere Flachland-Fließgewässer aller klimatischen Regionen, aller Größen. Die Monitoring-Stationen sollten sich am Ende von morphologisch einheitlichen Abschnitten befinden, d.h. gleichartige mittlere Tiefe und mittlere Fließgeschwindigkeit über den Abschnitt, keine bedeutenden Nebenflüsse oder Abwassereinleitungen oder Staue innerhalb des Abschnitts.

Wenn Sie an einer schnellen und modernen Analyse von Primärproduktion und community respiration "Ihres" Fließgewässers interessiert sind, und/oder Daten obengenannter Art zur Verfügung stellen können, informieren Sie mich bitte unter Boehme@gmx.de

Einzelheiten

Content

Introduction
Method
What measurements are necessary ?
Model
Program
Some real world examples
What else I´m interested in ?

Inhalt

Einführung
Methode
Welche Messungen werden benötigt
Auswertemodell
Programm
Beispiele
Andere interessierende Themen

Einführung

Neben dem Eintrag allochthoner organischer Substanz aus dem Einzugsgebiet ist die Primärproduktion einer der wichtigsten Prozesse in Gewässerökosytemen. Beide stellen die Basis an organischen Stoffen, die zu einem Teil von den Primärproduzenten selber und von allen Heterotrophen wie Bakterien, Pilzen und Tieren (aufgenommen), umgewandelt und zur Atmung, zum Wachstum und für die Reproduktion benötigt wird. Primärproduzenten sind Mikrophytobenthos und Makrophyten am Gewässergrund, und Phytoplankton im freien Wasser. Ein anderer Teil wird aus dem Fließgewässer-Ökosytem exportiert oder in organischen Sedimenten akkumuliert.
Die Kenntnis der Intensität und Dynamik der Primärproduktion innerhalb kurzer Zeit von Minuten bis Stunden, und längerer Zeiträume wie Tage, Jahreszeiten oder Jahre, hilft die Funktion des Fließgewässer-Ökosytems zu verstehen.
In Gewässern, die durch den Menschen beeinträchtigt sind, kann hohe Primärproduktion (Eutrophierung) unnatürliche Veränderungen der Biozönosen bewirken und die Nutzung des Wassers beeinträchtigen. Turak & Bickel (1994) empfehlen u.a. quantitative Bestimmungen des Verhältnisses von Bruttoprimärproduktion zu community respiration als potentiellen Indikator für die Überwachung des Erfolgs von Sanierungsmaßnahmen.

Ich bin besonders an Beziehungen zwischen Fließgewässermorphologie und Primärproduktion von Fließgewässer-Lebensgemeinschaften interessiert.

Die Primärproduktion ist von vielen verschiedenen abiotischen und biotischen Faktoren beeinflußt, z.B.:

im Freiwasser und am Gewässergrund verfügbares Licht,
Nährstoffkonzentrationen im Flußwasser,
Wasserstandsdynamik beeinflußt Wassertrübung, -tiefe, mechan. Stress für Bodenlebewesen...,
Gefälle, Art und Korngrößenzusammensetzung der Sedimente,
lebende Uferbäume beschatten das Gewässer, Wurzeln beeinflussen den Gewässergrund, Falllaub,
Totholz verringert Lichtangebot und beeinflußt die Strömung im Fluß, es bietet Lebensraum für Aufwuchs,
die Fließzeit oberstrom des untersuchten Gewässerabschnitts kann ausreichend Wachstum von Phytoplankton ermöglichen.
...

Besonders in Flachland-Fließgewässern können die Primärproduzenten selber die Bedingungen für Primärproduktion signifikant verändern:

Phytoplankton kann den Hauptteil des Sestons ausmachen und entsprechend Licht absorbieren,
emerse und submerse Makrophyten können das verfügbare Lichtangebot im Wasser, Strömungsbedingungen und Flußmorphologie verändern,
Aufwuchsalgen können stabile Matten ausbilden und so die Oberflächen von Sand oder Schlamm stabilisieren,
...

Diese Aufzählung macht deutlich, daß es enge Beziehungen zwischen Fließgewässer-Morphologie und Primärproduktion gibt. Die systematische Kartierung und Bewertung von Fließgewässerstrukturen ist hierzulande relativ weit entwickelt. Nur die Flachland-Fließgewässer sind noch unzureichend differenziert in den bereits existierenden und zum Quasi-Standard erhobenen Kartieranleitungen berücksichtigt.

Inhalt Einführung Methode Messungen Modell Programm Beispiele

Methode

Primärproduktion and Respiration der Lebensgemeinschaft eines Fließgewässers können mit verschiedenen Methoden bestimmt werden. Meist werden O₂- oder C¹⁴-Flaschen-Methoden eingesetzt, bei denen ein kleiner Ausschnitt des Ökosystems in Gefäßen isoliert und mehr oder weniger lange Bedingungen ausgesetzt wird, die als natürlich angesehen werden. Man hat die volle Kontrolle über das Isolat, kann aber tatsächlich die natürlichen Bedingungen nicht exakt simulieren. Damit sind die Ergebnisse zwar richtig bezogen auf die Flasche, aber die Übertragung der Ergebnisse auf das eigentlich untersuchte Fließgewässer-Ökosystem ist sehr schwierig und oft stark fehlerbehaftet.
Im Vergleich zu Flaschenmethoden haben Sauerstoff-Ganglinienanalysen (SGA), modifiziert nach ODUM (1956), folgende Vorteile:

die Umweltbedingungen für Primärproduzenten und andere Organismen werden nicht verändert
Nettoprimärproduktion und community respiration können in verschiedenen Zeitmaßstäben bestimmt werden (Minuten bis Stunden).
man kann kontinuierlich über Tage, Wochen, Jahre messen ohne sehr großen Aufwand.
...

Nachteile: Der Sauerstoffaustausch mit der Atmosphäre kann meist nur anhand mathemat. Modelle bestimmt werden, die jeweils an andere Datensätze Meßergebnisse von verschiedenen Fließgewässern angepaßt wurden. Die Ergebnisse weichen teilweise erheblich ab. Ein andere Nachteil, nur relevant für 1-Stationen-SGA (1-SGA), ist, daß vom Auswertemodell prinzipiell ein unendlich langer Fließabschnitt mit gleichartigen Bedingungen für Primärproduktion stromauf der Meßstation vorausgesetzt wird. Man kennt also in diesem Fall keine exakten Systemgrenzen.

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Welche Messungen werden benötigt ?

Man benötigt quasi kontinuierliche Aufzeichnungen der Konzentration des im Wasser gelösten Sauerstoffs (O₂), der Wassertemperatur und des Wasserstandes. Messwerte über das verfügbare Licht (z.B Globalstrahlung) und Wassertrübung ermöglichen weitergehende Analysen. Überall im Land stehen seit ein, zwei oder drei Jahrzehnten Meßstationen an vielen wichtigen Fließgewässern, in denen diese Daten gewonnen werden. Unter denen befinden sich etliche Meßstationen, die von ihrer Lage her geeignet sind für SGA (rel. lange, von Nebenflüssen und Abwassereinleitungen gering beeinflußte Abschnitte oberstrom der Station). Für die Installation einfacher Meßstationen finden Sie hier Hilfe:

Boehme@gmx.de).
Desweiteren benötigt man morphologische und hydrologische Angaben zum untersuchten Fließgewässer. Notwendig sind mittlere Tiefe, Gefälle und die Rauhigkeit des Gewässerbettes oberstrom der Meßstation (Wasserstraßenamt, Umweltamt).
...

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Model

Da die Sauerstoffkonzentration im Wasser von einem ganzen Komplex verschiedener Einflußgrößen determiniert ist, muß die Interpretation der Ganglinien auf einem Modell beruhen, daß zumindest die wichtigsten Einflußgrößen berücksichtigt. Unter bestimmten Umständen kann solch ein Modell so einfach gehalten sein wie in der Abb. unten gezeigt.

Hier klicken, um die Grafik (11 KByte) zu laden. Zu sehen sind grundlegende Beziehungen zwischen Brutto-Primärproduktion, community respiration, atmosphärischem Austausch, Licht, und aus allem resultierender Sauerstoffkonzentration.

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Programm

Für Datenhaltung und -verarbeitung erfolgt hauptsächlich mit einem selbsterstellten BASIC-Programm, daß etliche immer wiederkehrende Verarbeitungsschritte im Vergleich zu komerziell erhältlicher Software beschleunigt und vereinfacht:

das Einlesen von ASCII-Files aus den Meßstationen,
die platzsparende Ablage in einer speziell organisierten Datenbank (1 File pro [Jahr, Meßstation und Reihe] mit 2 Byte Platzbedarf auf der Festplatte pro Meßwert, z.B. eine O2-Jahresreihe Minutenwerte 1 MB/File, Stundenwerte 18 KB/File; alle derzeit verfügbaren Meßreihen zusammen belegen so nur ca. 200 MB auf der Festplatte),
die Eliminierung von Ausreißern (z.B. während der Minuten der Sondenreinigung) oder offensichtlich fehlerhaften Meßzeiträumen, Interpolation von kleinen Lücken innerhalb eines Tagesganges, alle Manipulationen waren graphisch unter Kontrolle,
die Berechnung von Mittelwerten über 0.2 bis 1 h, wenn z.B. Minutenwerte geliefert werden,
die Ermittlung von täglichen Extremwerten, Berechnung von Tagesmitteln, mittleren Tagesgängen über einheitliche, frei wählbare Zeiträume,
die Berechnung von Nettoprimärproduktion und comunity respiration mit 1- oder 2-SGA unter voller Einbeziehung aller Details des Auswertemodells in kurzzeitiger Auflösung (min. bis h),
die Berechnung von Tagesintegralen Netto- und Bruttoprimärproduktion und Respiration
die Ausgabe der Meßwerte in ASCII-Files oder graphisch auf dem Bildschirm oder Drucker und Ausgabe der Ergebnisse in ASCII-Files.

Alle Berechnungen werden über ganze Jahre oder frei wählbare kürzere Zeiträume ausgeführt. Daneben ist es möglich, einzelne Tage zu markieren, um sie von Berechnungen auszuschließen (z.B. Tage, an denen die Form der Ganglinie hauptsächlich durch Prozesse bestimmt ist, die nicht durch das Modell beschrieben werden), es ist möglich, für einzelne Flüsse den atmosphärischen Austausch mit 6 implementierten Modellen in Abhängigkeit von wechselndem Wasserstand zu berechnen, sowie Ausdrucke von Jahresreihen mit beliebiger Datendichte automatisch zu erstellen (z.B. um Minutenwerte schnell überschauen zu können, Fehler, z.B. Ausreißer, schneller zu orten).

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Beispiele

Drei Beispiele zeigen verschiedene Ganglinien von Sauerstoff und anderen Parametern, die in Flachland-Fließgewässern um Berlin aufgezeichnet wurden.

Klicken Sie hier, um eine Abbildung mit vier Tagesganglinien der Spree zu laden. Parameter sind Sauerstoff, Temperatur, pH, Fluoreszenz, und Licht (20 KByte).
Klicken Sie hier, um eine Abbildung zu laden, die ausgeprägte jahreszeitliche Unterschiede der Sauerstoffkonzentration in der Spree zeigt (13 KByte).
Klicken Sie hier, um eine Abbildung mit dem höchsten mir bekannten Sauerstoff-Tagesgang zu laden (9 KByte).

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Andere interessierende Themen

(submerse) Makophyten und ihre Bedeutung für Primärproduktion und Stoffrückhalt im aquatischen Ökosystem, siehe meine Suche nach Beispielen,
Makrophytenkartierung (Spezialität Characeen), Drachen- und Ballongestützte Luftbildfotografie, Luftbildauswertung, Tauchkartierung,
andere Strukturen, welche für den Stoffrückhalt in aquatischen Ökosystemen verantwortlich sind,
systematische Kartierung und Bewertung von Fließgewässerstrukturen (STRUKA),
der natürliche Zustand hiesiger Fließgewässer, womit hier ein Zustand gemeint ist, der heute vorhanden wäre, hätte es nie Einfluß des Menschen auf Fließgewässer und ihre Einzugsgebiete gegeben. Dessen Kenntniss hilft bei
Renaturierung von Fließgewässern.

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Michael Böhme, Boehme@gmx.de

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