| dc.contributor.advisor | Heitkamp, Ulrich, Prof. Dr. | |
| dc.contributor.author | Leßmann, Dieter | |
| dc.date.accessioned | 2022-01-27T12:46:28Z | |
| dc.date.available | 2022-02-03T00:50:08Z | |
| dc.date.issued | 2022-01-27 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0008-5A0B-8 | |
| dc.identifier.uri | http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9062 | |
| dc.language.iso | deu | de |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/ | |
| dc.subject.ddc | 570 | de |
| dc.title | Gewässerversauerung und Fließgewässerbiozönosen im Harz | de |
| dc.type | doctoralThesis | de |
| dc.title.translated | Water acidification and running water biocoenoses in the Harz Mountains / Germany | de |
| dc.contributor.referee | Heitkamp, Ulrich, Prof. Dr. | |
| dc.date.examination | 1991-06-21 | |
| dc.description.abstractger | Zwischen 1986 und 1989 wurden im Rahmen eines interdisziplinären Forschungsvorhabens limnologische Untersuchungen zu den Auswirkungen der Gewässerversauerung auf Fließgewässerbiozönosen im durch säurebildende Luftschadstoffe stark belasteten Harz durchgeführt. Für die Untersuchungen wurden im Epirhithral von sechs über den Westharz verstreut liegenden Bächen 15 von direkten anthropogenen Einflüssen freie und von Lage und Struktur her vergleichbare Probestellen ausgewählt, an denen aufgrund der geologischen Bedingungen mit einer unterschiedlichen Empfindlichkeit gegenüber der Versauerungsbelastung zu rechnen war. Die in der Sösemulde gelegenen jeweils drei Probestellen an der nicht versauerten Alten Riefensbeek und der versauerten Großen Söse wurden im Rahmen einer Schwerpunktuntersuchung zwischen 1986 und 1989 einer intensiveren Bearbeitung unterzogen als die 1986 und 1987 untersuchten Stellen der Nebenuntersuchungsbäche.
Die vorliegende Arbeit gibt die Ergebnisse der physikalischen und chemischen Untersuchungen sowie der mittels Benthosbeprobungen und Emergenzerfassungen durchgeführten Untersuchungen der Makrozoobenthosgruppen Mollusca, Amphipoda, Ephemeroptera, Plecoptera und Coleoptera sowie die durch Elektrobefischungen gewonnenen Ergebnisse der fischereikundlichen Untersuchungen wieder.
Die hohe Belastung durch Luftschadstoffe führte in allen Gewässern zu einer hohen Sulfat- und Nitratkonzentration. In vielen der nur geringe Konzentrationen an basischen Kationen aufweisenden, elektrolytarmen Gewässern war dies mit einer Versauerung verbunden. Die Analyse der umfangreichen pH-Messungen ermöglichte eine Unterteilung der Probestellen in vier Gruppen, die Unterschiede in Bezug auf Intensität und Frequenz der pH-Absenkungen zeigten:
- nicht versauerte Gewässerabschnitte mit nur geringen Schwankungen der Wasserstoffionenkonzentration im permanent neutralen Bereich,
- schwach versauerte Gewässerabschnitte mit mittleren pH-Werten im neutralen Bereich und gelegentlichen periodischen Säureschüben mit pH-Absenkungen bis etwa pH 5,
- mäßig versauerte Gewässerabschnitte mit mittleren pH-Werten im schwach sauren Bereich (pH 5 - 6) und regelmäßigen periodischen pH-Absenkungen mit pH-Werten < 5,
- stark versauerte Gewässerabschnitte mit mittleren pH-Werten im stark sauren Bereich (pH < 5), die permanent stark versauert waren oder nur kurze Zeit des Jahres neutrale pH-Werte aufwiesen.
Zu den wichtigsten mit den pH-Werten korrelierten hydrochemischen Parametern gehörten die Säurekapazität sowie die Konzentrationen an Aluminium, Calcium, Magnesium, Cadmium und Blei. Speziierungsanalysen des Aluminiums zeigten, dass der Anteil monomerer anorganischer Species mit zunehmenden Konzentrationen an gelöstem organischen Kohlenstoff an den stark versauerten Stellen abnahm. Eine Cluster-Analyse der Daten der hydrochemischen Parameter führte zu einer Aufteilung der Probestellen in zwei Hauptgruppen mit den nicht versauerten Stellen auf der einen und den versauerten Probestellen auf der anderen Seite.
lm Rahmen der biologischen Bearbeitungen konnten insgesamt 76 Arten und höhere Taxa nachgewiesen werden, wobei die artenreichsten Gruppen die Plecopteren mit 35 Arten und die Ephemeropteren mit 19 Arten waren. Für alle Gruppen ergab sich eine hohe Abhängigkeit der an einer Probestelle vorkommenden Artenzahl vom Grad der Versauerung, wobei sich Gastropoden und Amphipoden nur in den nicht versauerten Gewässern nachweisen ließen und Ephemeropteren mit zunehmender Versauerung den stärksten Artenrückgang bis zum Fehlen in den stark versauerten Bereichen zeigten. An den stark versauerten Stellen kamen von den untersuchten Tiergruppen in der Regel nur noch Plecopteren und Coleopteren vor.
Die autökologische Auswertung der Untersuchungsergebnisse erbrachte entsprechend sehr niedrige bis niedrige Säuretoleranzen für die Gammariden, die meisten der Ephemeropteren-Arten und den größten Teil der Setipalpia unter den Plecopteren. lm Benthos waren sehr hohe Dominanzen einzelner Plecopteren-Arten an den stark versauerten Probestellen zu finden, wohingegen sich die Dominanzstrukturen der mäßig und schwach versauerten Stellen zunehmend denen der nicht versauerten Stellen annäherten, die die am stärksten ausgeglichenen Dominanzstrukturen aufwiesen, was auch in einem Anstieg der Diversitätsindices zum Ausdruck kam.
Bei den Besiedlungsdichten wiesen die nicht versauerten Stellen überwiegend höhere Gesamtabundanzen auf als die versauerten Gewässerbereiche. An den stark versauerten Stellen konnten jedoch Massenentwicklungen einzelner Plecopteren-Arten beobachtet werden, wobei die Besiedlungsdichten die der nicht versauerten Stellen weit überschritten.
An der Emergenz hatten die Ephemeropteren unabhängig vom Versauerungsgrad nur einen Anteil von maximal 20 %. Während die Ephemeropteren an den nicht versauerten Stellen bereits im Frühjahr höhere Abundanzen zeigten, trat die Gruppe an versauerten Stellen erst im Sommer und Herbst auf. Die Gesamtemergenz erreichte an drei der vier stark versauerten Stellen die höchsten Werte. Zwischen mäßig, schwach und nicht versauerten Stellen ergaben sich bei der Emergenz keine Unterschiede.
Während die Dominanzstrukturen in den stark versauerten Bereichen stets von nur wenigen eudominanten Arten bestimmt wurden, war mit abnehmender Versauerung eine deutliche Tendenz zu ausgeglicheneren Strukturen zu verzeichnen, wobei aber auch an nicht versauerten Stellen wenige Arten eine sehr hohe Dominanz erreichen konnten. lm Vergleich der Untersuchungsjahre wiesen die einzelnen Stellen nur geringe Veränderungen der Dominanzstrukturen auf.
Insgesamt war eine relativ große Übereinstimmung des Spektrums dominanter Arten innerhalb der verschiedenen Versauerungsgrade festzustellen. Entsprechend ergab ein biozönotischer Ähnlichkeitsvergleich deutlich getrennte biozönotische Strukturen zwischen versauerten und nicht versauerten Gewässerabschnitten, wobei die stark versauerten Probestellen untereinander die größte Ähnlichkeit aufwiesen. Abhängig vom Grad der Versauerung ließen sich relativ charakteristische biozönotische Strukturen nachweisen. Für die Diversität errechneten sich die niedrigsten Werte für die stark versauerten Gewässerabschnitte, wohingegen die mäßig und schwach versauerten Stellen keine grundsätzlichen Unterschiede zu den nicht versauerten Bereichen zeigten.
Ebenfalls eine starke Abhängigkeit vom Grad der Versauerung erbrachten die fischereikundlichen Untersuchungen für die Fischpopulationen. Nur in nicht versauerten Gewässern konnte neben der Bachforelle (Salmo trutta fario) die Groppe (Cottus gobio) auftreten, und es konnten sich normal strukturierte Fischpopulationen mit höheren Dichten entwickeln. In schwach versauerten Gewässern fehlte die Groppe, und die Bachforellen zeigten bei niedrigen Besiedlungsdichten einen gestörten Altersaufbau durch das Fehlen der Jungfische in den meisten Jahren. Mäßig versauerte Gewässer wiesen nur einen Bestand von wenigen größeren Bachforellen auf. In stark versauerten Bereichen fehlten Fische vollständig.
Durch die Verknüpfung und Analyse der biologischen und abiotischen Daten ließ sich nachweisen, dass die beobachteten Unterschiede in der Struktur der Benthosbiozönosen und bei den Fischpopulationen weitestgehend auf die Gewässerversauerung zurückzuführen sind, wobei für Veränderungen sowohl erhöhte Wasserstoffionenkonzentrationen und teilweise auch erhöhte Konzentrationen monomeren anorganischen Aluminiums verantwortlich gemacht werden können, als auch indirekte Veränderungen zu beobachten sind. Die Abhängigkeit der biozönotischen Auswirkungen vom Grad der Gewässerversauerung und die relativ charakteristischen Emergenz- und Benthosdominanzstrukturen lassen sich für eine biologische Indikation der Intensität der Versauerung nutzen. | de |
| dc.description.abstracteng | From 1986 to 1989, as part of an interdisciplinary research project, limnological studies were carried out on the effects of water acidification on running water biocoenoses in the Harz Mountains, which were a region with high immissions of acidity (“acid rain”). For the investigations, 15 sampling sites in the epirhithral of six streams in the western part of the Harz Mountains were selected at which, due to different geological conditions, different intensities of water acidification occurred. The sites were comparable in terms of the morphological structure and the hydrological conditions and were free from direct anthropogenic influences. Six sampling sites in the Sösemulde at the non-acidified Alte Riefensbeek and the acidified Große Söse were subject to more intensive investigations between 1986 and 1989 than sites at other streams investigated in 1986 and 1987.
The study presents results of the physical and chemical investigations and in the main part the findings about the effects of freshwater acidification on the biocenotic structure of the macrozoobenthos comprising the groups Mollusca, Amphipoda, Ephemeroptera, Plecoptera and Coleoptera. The results were based on regular macrozoobenthos sampling and emergence recordings by permanent traps. The investigations included also the fish populations, which were studied by electrofishing.
The high intensity of air pollution led to high sulphate and nitrate concentrations in all water bodies of the study area. In many water bodies of the Harz Mountains with low concentrations of basic cations and being poor in electrolytes, this was associated with acidification. Analyses of extensive pH measurements enabled to divide the sampling sites into four hydrogeochemical groups with differences in the pH regime based on the intensity and frequency of acidification:
- non-acidified stream sections with only minor fluctuations in the hydrogen ion concentrations in the permanently neutral range,
- slightly acidic stream sections with average pH values in the neutral range and occasional periodic acidic events with pH decreases to around pH 5,
- moderately acidic stream sections with average pH values in the slightly acidic range (pH 5 - 6) and regular periodic pH decreases to pH values < 5,
- heavily acidified stream sections with average pH values in the most acidic range (pH < 5) that were permanently acidic or showed neutral pH values only for short periods.
The most important hydrochemical parameters that correlated with pH included the acid neutralizing capacity and the concentrations of aluminium, calcium, magnesium, cadmium and lead. Aluminium speciation analyses showed that the proportion of monomeric inorganic species decreased with increasing concentrations of dissolved organic carbon at the most acidic sites. A cluster analysis of the hydrochemical data resulted in a split of the sampling sites into two main groups with the non-acidified sites on one side and the acidified sites on the other.
A total of 76 species and higher taxa could be found for the macrozoobenthos, with the species-richest groups being the Plecoptera with 35 species and the Ephemeroptera with 19 species. For all groups, the number of species that occurred at a sampling site was highly dependent on the intensity of acidification. Gastropoda and Amphipoda could only be detected in the non-acidified water bodies. Ephemeroptera showed the greatest species decline with increasing acidification and were completely absent from the most acidic sites. Only Plecoptera and Coleoptera always inhabited also the heavily acidified stream sections.
Correspondingly, the autecological evaluation of the study results revealed very low to low acid tolerance for the Amphipoda, most of the Ephemeroptera and most of the species belonging to the Setipalpia within the order Plecoptera. Very high dominances of single Plecoptera species could occur at the most acidic sites, whereas the dominance structures of the moderately and weakly acidified sites progressively converged to those of the non-acidified sites, which showed the most balanced dominance structures. This was also reflected in an increase in the diversity indices.
With regard to population densities, the non-acidified sites usually showed higher total abundances than the acidified ones. However, mass developments of single Plecoptera species could occur in heavily acidified stream sections with population densities far exceeding those of non-acidified sites.
In the emergence studies, regardless of the degree of acidification, Ephemeroptera only accounted for a maximum of 20% to total emergence. While the Ephemeroptera already showed higher abundances in the non-acidified stream sections in spring, the order only appeared at acidified sites in summer and autumn. Total emergence reached the highest values at three of the four most acidic sites. No differences in emergence could be observed between moderate, weak, and non-acidified sites.
While the dominance structures in the strongly acidified stream sections were always determined by only a few eudominant species, a clear tendency towards more balanced structures could be observed with decreasing acidification. However, some species were able to achieve a very high dominance also at non-acidified sampling sites. The comparison of different years revealed only slight changes in the dominance structures of a certain sampling site.
Overall, there was a relatively high similarity in the dominant species composition within the various degrees of acidification. Correspondingly, a biocenotic similarity comparison revealed clearly separated biocenotic structures of acidified and non-acidified stream sections, with the heavily acidified sites showing the highest similarity among each other. Depending on the degree of acidification, characteristic biocenotic structures could be detected. For the diversity, the lowest values were calculated for the heavily acidified sections, whereas the differences among the groups of the moderately and weakly acidified stream sites were relatively small.
The investigations of the fish populations also revealed a strong dependency of fish inhabitation on the intensity of acidification. Bullhead (Cottus gobio) and brown trout (Salmo trutta fario) only occurred at non-acidified sampling sites. Normally structured fish populations could develop in higher densities only there. Bullheads were already absent from slightly acidic waters, and brown trout showed an abnormal age structure of the population under these conditions with low population densities due to the lack of young fish in most years. Moderately acidified waters only had a stock of a few larger, old brown trout. Fish were completely absent from heavily acidified stream sections.
By linking and analysing the biological and abiotic data, it was possible to prove that the observed differences in the structure of the benthic biocoenoses and in the fish populations were mainly due to the degree of water acidification, with both, increased hydrogen ion concentrations and, in some cases, increased concentrations of monomeric inorganic aluminium, being responsible for the observed biocenotic changes. The dependence of biocenotic effects on the degree of water acidification and the relatively characteristic emergence and benthic dominance structures within different degrees of water acidification can be used for a biological indication of the intensity of freshwater acidification caused by acid rain. | de |
| dc.contributor.coReferee | Schaefer, Matthias, Prof. Dr. | |
| dc.subject.ger | saurer Regen | de |
| dc.subject.ger | Harz | de |
| dc.subject.ger | Gewässerversauerung | de |
| dc.subject.ger | Makrozoobenthos | de |
| dc.subject.ger | Fische | de |
| dc.subject.ger | Bioindikation | de |
| dc.subject.eng | acid rain | de |
| dc.subject.eng | Harz Mountains | de |
| dc.subject.eng | freshwater acidification | de |
| dc.subject.eng | macrozoobenthos | de |
| dc.subject.eng | fish | de |
| dc.subject.eng | bioindication | de |
| dc.identifier.urn | urn:nbn:de:gbv:7-21.11130/00-1735-0000-0008-5A0B-8-1 | |
| dc.affiliation.institute | Biologische Fakultät für Biologie und Psychologie | de |
| dc.subject.gokfull | Biologie (PPN619462639) | de |
| dc.description.embargoed | 2022-02-03 | |
| dc.identifier.ppn | 1787356116 | |