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Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II Themen: Vorlesung 5 Nahrungsgefüge in natürlichen Fließgewässern Energie- und.

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1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vorlesung Wasserwirtschaft & Hydrologie II Themen: Vorlesung 5 Nahrungsgefüge in natürlichen Fließgewässern Energie- und Nährstoffsystem Gewässer Zonen der Fließgewässerbiotope Tierische Ernährungstypen Nahrungsketten und trophische Ebenen Wasserstand und Organismenbesiedlung Das hyporheische Interstitial

2 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Lehrziele der Veranstaltung Sie ziehen selbstständig Rückschlüsse zwischen Habitaten und den zugehörigen Makrozoobenthos Organismen. … verstehen die funktionalen Zusammenhänge zwischen Produzenten, Konsumenten und Destruenten. Sie kennen die Grundlagen der Nahrungsketten in Fließgewässern und... analysieren anwenden verstehen erinnern erschaffen bewerten

3 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: Uhlmann/Horn Der Energie- und Nährstofftransport wird in Fließgewässern (anders als in stehenden Gewässern) durch die gerichtete Strömung angetrieben. Die Strömung beeinflusst die Gewässerstruktur die Lichtverhältnisse den Wasserchemismus den Gasaustausch die Besiedlung mit Organismen Das offene Energie- und Nährstoffsystem Gewässer

4 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Makrozoobenthos: Als Makrozoobenthos werden die großen, mit bloßem Auge erkennbaren wirbellosen Tiere, die auf der Fließgewässersohle leben, bezeichnet. Makrophyten: Unter Makrophyten werden die höheren Wasserpflanzen zusammengefasst. Nicht eingeschlossen sind die Algen. Bei Makrophyten wird unterschieden zwischen Pflanzen, die unter Wasser wachsen (submerse Makrophyten) und Pflanzen, die über Wasser wachsen (emerse Makrophyten). Begriffsbestimmungen

5 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Als Taxon wird eine Zusammenfassung von Arten bezeichnet, die eine geordnete verwandschaftliche Beziehung aufweisen. In der Hydrologie wird im Regelfall der Begriff Taxa verwendet, der die Mehrzahl von Taxon darstellt. Taxon: Als Art wird die Gesamtheit von Pflanzen und Tieren bezeichnet, die hinsichtlich ihrer wesentlichen Merkmale übereinstimmen und sich untereinander kreuzen. Der Begriff Art ist das oberste Ordnungskriterium für die Klassifikation von Pflanzen und Tieren. Art: Begriffsbestimmungen

6 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken rheophile Organismen: Als rheophil werden diejenigen Organismen klassifiziert, die sich speziell an die Lebensweise in Biotopen mit (schnell) strömendem Wasser angepaßt haben. limnophile Organismen: Diejenigen Organismen, die Lebensräume mit stehendem Wasser (Seen) bzw. langsamer Fließgeschwindigkeit bevorzugen. Begriffsbestimmungen

7 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken stenöke Organismen: Als stenök werden diejenigen Organismen bezeichnet, die ganz bestimmte, sehr eng begrenzte Ansprüche an die Bedingungen ihrer Lebensräume stellen und nur innerhalb dieses schmalen Korridors leben können. Als Parameter für die Kennzeichnung der Lebensraumbedingung kann z.B. die Temperatur (stenotherm) oder das Nahrungsangebot (stenophag) verwendet werden. euryöke Organismen: Im Gegensatz zu den stenöken sind euryöke Organismen in der Lage, sich an eine große Spannbreite bzw. eine große Schwankung von Lebensraumbedingungen anzupassen. Diese Organismen sind nicht auf einzelne Ökosysteme spezialisiert, sondern finden ihre Habitate in unterschiedlichen Bereichen. Der Begriff ist aus dem Griechischen abgeleitet; eury = breit bzw. weit und oikos = Haus Begriffsbestimmungen

8 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Primärproduzenten Destruenten Primärkonsumenten Sekundärkonsumenten 1. Ordnung Sekundärkonsumenten 2. Ordnung Sekundärkonsumenten 3. Ordnung Nahrungsgefüge in Fließgewässern

9 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Prozess, bei dem energiereiches anorganisches Material in energiearme, organische Bestandteile umgewandelt wird. Als Maß für die Produktion kann die Stoff- oder Energiemenge pro Zeit angegeben werden. Es wird zwischen Primär- und Sekundärproduktion unterschieden. Produktion: Nahrungskette

10 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bei der Photosynthese produzieren Pflanzen aus Kohlendioxid und Wasser unter Ausnutzung von Sonnenenergie organische Substanzen und Sauerstoff. Chemisch kann dieser Vorgang wie folgt dargestellt werden: 6 CO H 2 O kJ → C 6 H 12 O H 2 O + 6 O 2 Photosynthese

11 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken … oder anorganische Kohlenstoffverbindung + Wasser + Sonnenenergie ergibt organische Kohlenstoffverbindung + Wasser + Sauerstoff Organische Substanzen (grüne Pflanzen ), die diesen Vorgang beherrschen, werden als photoautotrophe Organismen (oder Selbstversorger) bezeichnet. Alle anderen Organismen (die als heterotroph bezeichnet werden) sind für den Stoffwechsel und das Wachstum auf organische Nahrungsmittel angewiesen. Photosynthese

12 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Der Prozess der Photosynthese, bei dem aus Sonnenenergie, Kohlendioxid und Wasser organische Substanz und Sauerstoff gebildet wird. Primärproduktion: Prozess, bei dem Biomasse auf einer Nahrungsebene (Trophieebene) durch Konsumenten und Destruenten gebildet wird. Dabei können die Konsumenten jeweils nur rund 10% der konsumierten Energie in die produzierte Biomasse überführen, die restlichen 90% sind der Verlustanteil in Form von Wärme und Ausscheidungen. Aufgrund dieser großen Energieverluste von Nahrungsstufe zu Nahrungsstufe (Trophieebene) ist die Anzahl der Trophieebenen in der Nahrungskette auf fünf begrenzt. Sekundärproduktion: Nahrungskette

13 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Konsumenten: Herbivoren ↔ Pflanzenfresser Als Konsumenten werden alle Organismen bezeichnet, die sich durch die Aufnahme von organischem Material ernähren. Dies setzt immer voraus, dass es einen vorgeschalteten Produzenten gibt. Bei den Konsumenten wird unterschieden zwischen: Karnivoren ↔ Fleischfresser Omnivoren ↔ Allesfresser Nahrungskette

14 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Zu den Destruenten gehören die Bakterien und Pilze, die unter aeroben sowie anaeroben Verhältnissen in der Lage sind organische Ausscheidungen und abgestorbene, organische Materialien in einfache anorganische Verbindungen umzuwandeln. Destruenten: Nahrungskette

15 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Prozess, bei dem organisches Material in anorganische Verbindungen umgewandelt wird. Das Ausgangsprodukt (organisches Material) ist energiereich, wohingegen das Endprodukt (anorganisches Material) energiearm ist. Es wird also bei der Respiration Energie freigesetzt. Respiration: Anorganische VerbindungOrganische Verbindung freigesetzte Energie Nahrungskette

16 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die trophischen Ebenen sind Ausdruck der Ernährungsstufen und beschreiben jeweils die Organismen einer Ebene in der Nahrungskette. Primärproduktion Sekundärproduktion ProduktionProduktion Biomasse, gespeich- erte Energie nicht ver- wertbare Energie Energie Transfer Trophische Ebenen

17 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Aufwuchs/ Makrophyten Laub, Pflanzenreste Bakterien/ Detrius (autochthon und allochthon) Gelöste org. Substanz Anflug- nahrung Aufwuchs- weidegänger (Nemoura) Detriusfresser (Gammarus) Räuber (Perla, Rhyacophila) Friedfische (Groppe) Raubfische (Bachforelle) Primärproduzenten Destruenten Primärkonsumenten Sekundärkonsumenten 1. Ordnung Sekundärkonsumenten 2. Ordnung Sekundärkonsumenten 3. Ordnung Nahrungsgefüge in Fließgewässern

18 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken GruppeFunktionErnährungsgrundlage grüne Pflanzen Bakterien & Pilze Tiere Produzenten Destruenten Konsumenten anorganische Kohlenstoff-, Stickstoff- und Phosphor Verbindungen leicht abbaubare organische Substanzen partikuläre organische Substanzen tote organische Substanz Abbau organischen Materials => Mineralisierung pflanzliche Produktion Konsumenten Destruenten Produzenten Hauptgruppen der Organismen

19 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Grundsätzlich kann man bei der Fauna des Fließgewässers folgende Kategorien für die Ernährungstypen unterscheiden: Weidegänger (Schaber) scrapers, grazing animals Substratfresser substrat feeders Zerkleinerer shredders Meißler (Sammler) gatherers, collectors Räuber predators Die tierischen Ernährungstypen

20 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Klassifikation nach Nahrungsaufnahme

21 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Strudler

22 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Netzfänger

23 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Netzfänger

24 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Filtrierer

25 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken KrenalRhitral Zonen der Fließgewässerbiotope Epi-Meta-Hypo- Potamal Rhitral: Mit Rhitral wird das Biotop eines Fließgewässers im Mittelgebirge oder vergleichbarer Höhenlage (Gebirgsbach) bezeichnet. Das Substrat der Fließgewässersohle besteht meist aus Kies oder Sand. Das Rhitral entspricht weitgehend der Salmonidenregion und somit dem Oberlauf der Fließgewässerzonierung.

26 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken KrenalRhitral Zonen der Fließgewässerbiotope Epi-Meta-Hypo- Potamal Potamal: Bei dem Potamal handelt es sich um das Biotop eines sommerwarmen Fließgewässers im Tiefland, das sich durch sandiges bis feinkörniges Sohlsubstrat auszeichnet. Das Potamal entspricht weitgehend der Cyprinidenregion und umfasst somit den Bereich vom Mittellauf bis zum Unterlauf.

27 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Hauptnahrungs- quelle für Wirbellose Ernährungstypen (Makrozoobenthos) Produktion / Respiration Falllaub Überwiegend Zerkleinerer Produktion < Respiration Falllaub und Aufwuchsalgen Zerkleinertes Falllaub (Feindetritus & Aufwuchsalgen) Phytoplankton überwiegend Weidegänger und Sediment- fresser/ Filtrierer überwiegend Sediment- fresser/ Filtrierer QuelleOberlaufMittellaufUnterlaufMündung Produktion = Respiration Produktion > Respiration Zonierung Makrozoobenthos

28 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken KrenalRhitral Ernährungstypen Makrozoobenthos Epi-Meta-Hypo- Potamal Zerkleinerer Weidegänger und Filtrierer Filtrierer Bildquelle Abbildungen: LfU Bayern

29 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken KrenalRhitral Ernährungstypen Makrozoobenthos Epi-Meta-Hypo- Potamal Sedimentfresser Filtrierer Zerkleinerer Räuber Weidegänger Räuber Zerkleinerer Sedimentfresser Filtrierer Räuber

30 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Fließgewässerzone Fischregion Leitfische Fischregion Gewässerzone Quelle OberlaufMittellaufUnterlaufMündung ForelleÄscheBarbeBrachse Kaulbarsch/ Flunder SalmonidenBrackwasser RhitralPotamal Epi-Meta-Hypo- Epi-Meta-Hypo- Krenal Cypriniden Klassische Zonierung von Fließgewässern

31 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Beispiel: Lahs wandern zumach für die Eiablage. A B C anadrome Langdistanzwanderfische wandern inseer zur Eiablage. wie der Aa K L M atadrome Langdistanzwanderfische Anadrom-Katadrom

32 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: NZO Aktuelle Zonierung von Fließgewässern ausgeprägt mäßig ausgeprägt gering ausgeprägt

33 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Bildquelle: NZO Aktuelle Zonierung von Fließgewässern

34 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Zone Pflanzen Tiere Aquatische Unterwasser- Amphibische Wasserwechsel- Terrestrische Überwasser- Wasserhahnenfuß Laichkraut Wasserstern Gänsefuß Knöterich Schilf Brennessel Fische Wasserinsekten Amphibien, Libellen Weichholzaue Hartholzaue Bildquelle: Cüppers, Vereinigung Deutscher Gewässerschutz, Band 66 Zonierung einer Flussaue Hochwasser Auen und Biozönosen brauchen regelmäßig wiederkehrende Hochwasser für den Erhalt ihrer Artenzusammensetzung

35 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken ≤ NQ Organismenbesiedlung ständig von Wasser bedeckt  Laichkrautzone mit Unterwasserpflanzen, Fischnährtieren und Fischen > NQ ٨ ≤ MQ Abfluss > MQ ٨ < MHQ zwischen Niedrigwasser und mittlerem Wasserstand  Wechselwasserzone mit Röhricht; besiedelt durch Insekten, Amphibien und Vögel zwischen Wasserstand bei mittlerem Abfluss und Wasserstand bei mittlerem Hochwasser  Weidenbereich mit Gräsern, Kräutern, Sträuchern, Weiden und Erlen; besiedelt durch Insekten, Amphibien, Reptilien, Vögel und Säuger Quelle: Klee Wasserstand und Organismenbesiedlung

36 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Als Kennzahl kann man verallgemeinert annehmen, dass Auwälder im Regelfall an rund 30 Tagen im Jahr überstaut werden. Aus der natürlichen Vegetation an einem naturbelassenen Gewässer kann man die charakteristischen Wasserstände ablesen, denn die Vegetation richtet sich nach der Höhe und Dauer der resultierenden Wasserstände. Bildquelle: Bittman Die Weidezone kann bis zu 150 Tage pro Jahr eingestaut sein. Zusammenhang zwischen Wasserstandsdauerlinie und Ufervegetation

37 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Das hyporheische Interstitial ist der Übergangsbereich zwischen dem Fließgewässer und dem Grundwasserkörper Es handelt sich dabei um das Hohlraumsystem des Untergrundes im Anschluss an das Benthal, das durch den Fließvorgang mit Wasser und Detritus versorgt wird Das Interstitial ist somit Lebens- und Rückzugsraum speziell für benthische Invertebrate (Wirbellose, die an der Gewässersohle leben) Hyporheisches Grundwasser biologisch und chemisch mit dem Grundwasser verbunden ▼ Grundwasserebene Benthal NW Das hyporheische Interstitial

38 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken ▼ Grundwasserebene Benthal Das hyporheische Interstitial

39 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Fließgeschwindigkeit: ~ 1 - 2% der Geschwindigkeit im Gewässer Temperatur: relativ konstant und niedrig (3 - 8°C) optimale Korngröße für die Besiedlung: 0,5 - 1,0 mm unbeeinflusst durch Substrat- und Sedimentverschiebung bei Hochwasser Eigenschaften des hyporheischen Interstitials I

40 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Die größte Besiedlungsdichte des Interstitials liegt zwischen ~ 10 und 40 cm unter der Gewässersohle. (bis zu Tiere/m³ => 250 g/m³) Zwischen der Fauna des Benthals (dem Benthos) und dem Grundwasserkörper kann über das Interstitial ein Austausch erfolgen. Das Interstitial ist ein Lebensraum (Biotop) für unterschiedliche Arten; z.B. für die benthischen Invertebraten, Insektenlarven aber auch ersten Stadien von Salmoniden. Das Interstitial fungiert wie ein großer Pufferraum für das Fließ- gewässerökosystem, denn: es schützt vor Austrocknung selbst wenn das Gewässer trocken fällt es schützt vor Verdriftung bei Hochwasser es stellt ein Strömungs- und Temperaturrefugium dar Eigenschaften des hyporheischen Interstitials II

41 Univ.-Prof. Dr.-Ing. H. Nacken Vor dem Hintergrund der EG-WRRL zur Erreichung eines guten ökologischen Zustandes für die Gewässer spielt das Interstitial eine wichtige Rolle. Negative Einflüsse durch Entlastungen aus Kanalnetzen, wie z.B. Schädigung und Verdriftung der benthischen Organismen können kompensiert werden, und es werden Habitate für spezielle Fischfauna gebildet. Zur Zeit ist das Interstitial speziell an Tieflandgewässern aufgrund der Emissionen von abfiltrierbaren Stoffen (AFS) aus Kanalnetzentlastungen stark beeinträchtigt. (=> Sedimentation auf der Gewässersohle und daraus resultierende Kollmatierung) Kontext zur EG-WRRL


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