Einfluss von Makrophyten auf den C-N-P-Si Kreislauf in Flüssen - ein Modellansatz

Die Wasserqualität und das ökologische Gleichgewicht in den Mündungsgebieten großer Flüsse sind sehr stark vom Eintrag von organischem Material und Nährstoffen aus den Flüssen bestimmt. Organisches Material entsteht in den Gewässern (abgestorbene Wasserpflanzen und Algen) oder wird vom Land eingetragen (zum Beispiel durch Laubfall oder Abwässer). In den Gewässern wird es, abhängig von den Umweltbedingungen, schrittweise abgebaut. Auch Nährstoffe werden im Gewässer abgebaut, bzw. im Verlauf der Primärproduktion aufgenommen. Wasserpflanzen spielen dabei eine wichtige Rolle, weil sie auf sehr vielfältige Weise den Transport von Stoffen zum Meer, sowie auch den Abbau im Gewässer beeinflussen. Trotzdem wurde ihr Einfluss bislang nicht gesamtheitlich untersucht. Im vorliegenden Projekt werden die komplexen Zusammenhänge mit Hilfe eines mathematischen Modells nachgebildet, um den Einfluss von Wasserpflanzen auf den Abbau von organischem Material und Nährstoffen erfassen zu können. Die Hypothese der Studie ist, dass Wasserpflanzen die Strömungen im Wasser verlangsamen und dadurch Zonen mit erhöhter Abbauleistung entstehen, in denen Wechselwirkungen zwischen Strömungsverhältnissen und Umsatzprozessen durch unterschiedlichen Wasserpflanzenbewuchs bedeutend sind. Dies wirkt sich sowohl kleinräumig, als auch für ganze Flusseinzuggebiete betrachtet entscheidend aus. Um diese Hypothese zu testen wird schrittweise ein kombiniertes Modell aufgebaut um damit verschiedene Szenarien zu simulieren. Zu Beginn werden, aufbauend auf den Strömungsverhältnissen, lediglich grundlegende biochemische Zusammenhänge, zum Beispiel die Aufnahme von Nährstoffen durch Algen oder der Abbau von organischem Material im Wasserkörper, simuliert. In einem zweiten Schritt wird ein Wachstumsmodell für Wasserpflanzen erstellt und dieses in das Modell eingebaut. Letztendlich werden noch die Abbauprozesse, die im Gewässersediment stattfinden, einbezogen. Um dies durchführen zu können, müssen im Abstand von 2-4 Wochen Wasserproben genommen und analysiert werden, es muss die Entwicklung der Wasserpflanzen aufgezeichnet und die Zusammensetzung des Gewässersediments untersucht werden. Ergänzt wird dies durch Experimente, in denen Wachstumsraten von Wasserpflanzen und Abbauraten von organischem Material bestimmt werden. Damit kann unser Wissen über die Rolle von Wasserpflanzen im Kohlenstoffkreislauf von Fließgewässern deutlich erweitert werden. Neben der möglichen Simulation der Verhältnisse mit und ohne Makrophyten in Fliessgewässerabschnitten, ermöglicht dieser neu entwickelte Modellansatz auch, zukünftige Entwicklungen durch geänderte Temperaturverhältnisse und Abflussbedingungen und deren Wirkung auf den Kohlenstoffkreislauf zu simulieren. Durchgeführt wird das Projekt in einem Teilbereich des Donau-Einzugsgebietes, wo Flüsse mit unterschiedlichem Wasserpflanzenbewuchs vorhanden sind. In diesem Modellansatz werden die Kompetenzen der zwei einreichenden Arbeitsgruppen - WasserCluster Lunz, wo in den letzten Jahren die Auswirkungen von Wasseraustausch zwischen Fluss und Augebieten auf den Abbau von Nährstoffen und organischem Material untersucht wurden, und ECOBE (Universität Antwerpen), die sehr vielfältig die Rolle von Wasserpflanzen in Flusssystemen erforschen - vereinigt und dessen Umsetzung ermöglicht.

In dem 4-jährigen Projekt " Einfluss von Makrophyten auf den Stoffkreislauf (CNPSi) in Flüssen - ein integrativer Modellansatz" untersuchte ein Team von WissenschaftlerInnen der Universität Antwerpen, der Universität für Bodenkultur Wien und des WasserCluster Lunz die Rolle von Makrophyten, Wasserpflanzen, in Flusssystemen und mögliche Auswirkungen des Klimawandels auf Wasserpflanzen. Während Wasserpflanzen in stehenden Gewässern und Uferzonen intensiv untersucht wurden, ist ihre Rolle in Fließgewässern weniger bekannt. Die zentrale Frage war, wie die Wasserpflanzenentwicklung den Gesamtstoffwechsel (Primärproduktion und Respiration) steuert. Weiters wurde die Auswirkungen sich ändernder Umweltbedingungen untersucht und welche Faktoren im Zusammenhang mit dem Klimawandel (Änderungen der gelösten Stoffe, der CO2-Konzentration und des Abflusses) die Entwicklung ebenfalls beeinflussen könnten. Um diesen Fragen nachzugehen, wurden Felduntersuchungen, Laborexperimente und ein Modellierungsansatz angewandt. Als Modellpflanze wurde Berula erecta verwendet und die Hauptuntersuchungen fanden im Fluss Fischa in Österreich statt, einem grundwassergespeisten Tieflandfluss. Wasserpflanzen im untersuchten Fluss steuern die Aufnahme von Nährstoffen wie Phosphor, liefern einen Großteil des produzierten Sauerstoffs und verändern die Umweltbedingungen, indem sie die Strömung reduzieren und die Feinsedimentakkumulation fördern. Diese indirekten Effekte fördern mikrobielle Prozesse wie die Stickstoffumwandlung durch Mikroben und die Menge an Bakterien im Wasser. Somit sind Wasserpflanzen wichtige Komponenten in Tieflandflüssen, die den Gashaushalt und den Nährstoffkreislauf steuern. Anhand von Rinnenexperimenten konnten wir zeigen, dass verschiedene Wasserpflanzenparameter wie Blattfläche, Wuchsform und Nährstoffgehalt von Änderungen der Konzentrationen von gelöstem organischem Kohlenstoff, CO2-Konzentrationen und Änderungen der Strömungsmuster beeinflusst wurden. In den Klimawandelszenarien nahmen Biomasse und relatives Wachstum der Wasserpflanze B. erecta zu, während sich die Wuchsform insbesondere im Klimawandelszenario mit erhöhten Fließgeschwindigkeiten veränderte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Wasserpflanzen eine wichtige ökologische Komponente sind, auch in Tieflandflüssen, die den Stoffwechsel und die Nährstoffdynamik beeinflussen, und sie empfindlich gegenüber den Auswirkungen des Klimawandels sind.