Teilprojekte

Teilprojekt 1: Bestimmung und Quantifizierung der hydrologischen Präferenzen benthischer Wirbelloser

Durch den globalen Wandel sind Verschiebungen der Artengemeinschaften in Fließgewässerökosystemen zu erwarten. Um ökologische Veränderungen durch prognostizierte Abflussbedingungen vorhersagen zu können, erfolgt eine quantitative Erfassung der Habitatpräferenzen und -toleranzen von Zielarten.
Teilprojekt 1 Details

Das Abflussregime ist ein zentraler Schlüsselparameter in Fließgewässerökosystemen, welcher die physischen Habitatbedingungen, die biologischen und ökologischen Prozesse sowie die Ökosystemfunktionen der Flüsse steuert. Im Zuge des globalen Wandels werden auch für diese Umweltbedingungen räumliche wie zeitliche Veränderungen erwartet, die sich auf Artengemeinschaften benthischer, wirbelloser Organismen (Makrozoobenthos) auswirken können. Während Änderungen der Abflussbedingungen durch hydrologische Kennwerte gut erfasst werden können, existiert nur wenig empirisches Wissen zu den ökologischen Präferenzen und Toleranzen des Makrozoobenthos gegenüber Strömungs- und Abflussbedingungen. Daher ist es wichtig, die quantitativen Reaktionen von Süßwasserorganismen auf die Änderung der Dauer, Häufigkeit, Größe, Rate und Zeitpunkt von Abflussereignissen (IHA-Metriken) besser zu verstehen. Dieses Verständnis kann durch die Verknüpfung der Artenhäufigkeit entlang von Gradienten der IHA-Metriken etabliert und genutzt werden, um die Reaktionen der Arten auf durch den Klimawandel verursachte Abflussänderungen in den folgenden drei Schritten zu quantifizieren und zu beurteilen:

Im ersten Schritt wird ein nichtlinearer Modellierungsansatz für einen deutschlandweiten Datensatz angewendet. Dieser ermöglicht die Quantifizierung von Strömungspräferenzen von Makrozoobenthos für die IHA-Metriken. Im zweiten Schritt wird dieser Ansatz in zwei unterschiedlichen Flusseinzugsgebieten im Tiefland und Mittelgebirge von Deutschland verwendet, um mögliche Änderungen der Artenhäufigkeiten aufgrund projizierter Änderungen der Abflussbedingungen unter dem extremsten Klimaszenario (RCP 8.5) zu quantifizieren. Im dritten Schritt wird die Unsicherheit in den Prognosen untersucht, indem die Prognosen mit 16 Klimamodellen durchgeführt werden. Hierbei ist insbesondere die Veränderung der Artenhäufigkeit und der funktionellen Artengruppen interessant.

Die Ergebnisse zeigen, dass die funktionellen Gruppen in den Lebensgemeinschaften durch Abflussänderungen beeinflusst werden, aber auch, dass diese Auswirkungen regional unterschiedlich sind. Beispielsweise führen die Abflussänderungen zu einem Anstieg der Häufigkeit von rheophilen und toleranten rhithralen Arten im Tiefland, was als "Rhithralisationseffekt" bezeichnet wird. Die erzielten Ergebnisse gehen über die qualitative Bewertung von Reaktionen der Arten auf Umweltveränderungen hinaus, sie stützen jedoch die aktuellen Kenntnisse, dass Abflussänderung und deren Einfluss auf die Abundanz von Arten ein globales Phänomen sind. Die Hauptergebnisse bestätigen die hohe Anfälligkeit von Makrozoobenthos gegenüber fortlaufenden klimawandelbedingten Abflussänderungen, aber auch die hohe Unsicherheit in den Prognosen, die durch die Unsicherheiten in den unterschiedlichen Klimamodellen verursacht werden. Eine Verringerung dieser würde die Vorhersage der Artenhäufigkeit verbessern.

Die in diesem Teilprojekt entwickelten Analysen sind anwendbar für die Vorhersage von Auswirkungen des Klimawandels auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen sowie für verschiedene Stressoren oder Arten.

Kontakt für Teilprojekt 1
Karan Kakouei,
Tel.: +49 (0)30 64181 690, Website

Teilprojekt 2: Einflüsse des globalen Wandels auf hydrologische Bedingungen

Hydrologische Simulationen dienen als Grundlagen für die Modellierung hydrologischer Parameter in Fließgewässerökosystemen unter veränderten Klimabedingungen.

Teilprojekt 2 Details

Dieses Teilprojekt umfasst die Simulation von hydrologischen Parametern in drei deutschen Einzugsgebieten in unterschiedlichen Regionen: Der Treene im Norddeutschen Tiefland, der Kinzig in den Mittelgebirgen und der Ammer in den Alpen. In jedem Einzugsgebiet wird ein hydrologisches Modell angewendet und so optimiert, dass es die Abflusspräferenzen (sogenannte Indikatoren Hydrologischer Veränderung, IHA) des Makrozoobenthos ideal abbilden kann. Eine umfangreiche Sensitivitätsanalyse wird durchgeführt, um den Einfluss von unterschiedlichen Modellleistungen auf die Simulation der Biota zu bewerten. Daraus resultieren detaillierte räumlich-zeitliche IHAs der historischen und aktuellen Situation. Diese werden ergänzt durch eine umfassende Klimawandelstudie unter Berücksichtigung der Unsicherheiten. Die Unsicherheiten sind wichtig, um die modellierten Veränderungen der Arten unter Klimawandel korrekt einzuordnen.

Kontakt für Teilprojekt 2
Dr. Jens Kiesel,
Tel: +49 (0)30 6392 4086 or +49 (0)9742 931077, Website

Teilprojekt 3: Verbesserung von Projektionen, die die Auswirkungen des Klimawandels auf Fließgewässerorganismen beschreiben

Anpassung bestehenden Vorhersagemodelle für Veränderungen von Artengemeinschaften verbessert die Anwendbarkeit auf Fließgewässerökösysteme und berücksichtigt Störfaktoren
Teilprojekt 3 Details

Artverbreitungsmodelle (eng.: species distribution models; SDMs) werden zunehmend für Flussökosysteme angewandt um groß-skalige Analysen zu ergänzen. In der aktuellen ökologischen Theorie wird das Abflussverhalten als einer der wesentlichen Einflussfaktoren für das Vorkommen und die Verbreitung von Flusslebewesen beschrieben. Das Hauptziel dieses Teilprojektes ist es, die Vorhersagekapazitäten von SDMs für das Makrozoobenthos durch Einbindung von hydrologischen Variablen, die das Abflussverhalten beschreiben, zu verbessern.

Das Teilprojekt ist in drei Schritte unterteilt. Im ersten Schritt wird ein zeitlich und räumlich (1 km²) hoch aufgelöster Datensatz, der den Abfluss und eine Reihe weiterer hydrologischer Einflussgrößen für Deutschland beinhaltet, erzeugt. Im Zweiten wird eine Methode zur Ermittlung der optimalen Variablen für den Einsatz in SDMs entwickelt und der Effekt der Auswahl der hydrologischen Variablen auf SDMs untersucht. Drittens wird die Rolle der Hydrologie in SDMs ermittelt, indem der Einfluss von klima- und hydrologiebezogenen Datensätzen untersucht wird.

Sowohl, hinsichtlich der relativen Bedeutung der hydrologischen Variablen, als auch in Bezug auf die erklärte Varianz in den Modellen, haben sich reine Klimavariablen als wichtigste Einflussgrößen für die Modellierung der Verbreitungsgebiete von Makrozoobenthos herausgestellt. Neben der großen Bedeutung von Klimavariablen zeigte sich, dass hydrologische Variablen im Allgemeinen einen höheren Anteil zur erklärten Varianz beitragen. Die größeren vorhergesagten Verbreitungsgebiete der Arten können auf die bessere Beschreibung des Abflussregimes durch hydrologische Variablen zurückzuführen sein.

In diesem Teilprojekt werden hydrologische Variablen für SDMs erstellt und implementiert, effektive Methoden zur Verbesserung der Vorhersagen der Verbreitung von Fließgewässerarten entwickelt und validiert und somit die Forschung im Bereich der SDMs vorangebracht. Die entwickelten Methoden können sowohl in unterschiedlichen geographischen Regionen als auch für verschiedene Zeiträume und räumliche Skalen angewendet werden. Durch die Verbesserung der Modellgenauigkeit und der vorhergesagten Verbreitung kann die Anwendung von SDMs unter Verwendung hydrologischer Variablen somit dazu beitragen Managemententscheidungen und Naturschutzbestrebungen zu unterstützen.

Kontakt für Teilprojekt 3
Katherine Irving,
Tel: +49 (0)30 6392 4089, Webseite

Teilprojekt 4: Großräumige Abschätzung von hydrologischen Veränderungen und möglichen ökologischen Auswirkungen

Betrachtung der Auswirkungen geänderter Abflussbedingungen auf die Lebensraumverfügbarkeit für Makroinvertebraten und Fische auf europäischer und globaler Ebene erlaubt die Betrachtung von ausgeprägten räumlichen Gradienten
Teilprojekt 4 Details

In Ergänzung zu der kleinräumigen Analyse der Modellregionen (Flachland, Mittelgebirge, Alpiner Raum) werden auch auf größerer Skalenebene hydrologische Änderungen in Fließgewässern im Zusammenhang mit ökologischem Wandel untersucht,  je nach Datenverfügbarkeit auf europäischer oder weltweiter Ebene. Da die ausgewählten Untersuchungsregionen ganz verschieden auf den klimatischen Wandel reagieren werden (Zunahme bzw. Abnahme von jährlichen Niederschlägen, teilweise verstärkte Sommertrockenheit), kann auch ein Gradient der potentiellen hydrologischen Veränderungen abgebildet werden.

Um den Zusammenhang von Änderungen der Hydrologie und der Artengemeinschaft in Fließgewässern abschätzen zu können, werden Makrozoonbenthos-Daten von Fließgewässern gesammelt, in denen sich die Abflussbedingungen durch wasserbauliche Maßnahmen geändert haben (entspricht erhöhtem oder geringerem Abfluss infolge veränderter Niederschlagsverhältnisse) bzw. von Fließgewässern in ariden oder semi-ariden Gebieten, die sehr sensitiv gegenüber Abflussänderungen sind. Eine Auswahl geeigneter Untersuchungsgebiete kann mithilfe des globalen Wassermodells WaterGAP erfolgen.

Kontakt für Teilprojekt 4
Martin Friedrichs,
Tel.: +49 (0)30 6392 4082, Webseite