Zeitlich hoch aufgelöste Untersuchung der Nährstoffretentionin einem Fließgewässer-Niedermoor-Komplex

Rücker, Kirsten

Das Nährstoffretentionspotenzial von Fließgewässerökosystemen hängt von unterschiedlichen hydrologischen, chemischen und biologischen Bedingungen einschließlich der Austauschprozesse mit Niederungen ab. In dieser Arbeit wurde die Nährstoffretention in einem Fließgewässer-Niederungs-Komplex auf der Zeitskala des hydrologischen Austausches zwischen beiden Systemen untersucht. In dieser Arbeit werden die Ergebnisse eines Untersuchungszeitraums im Jahr 2004 (März-Oktober) vorgestellt. Tägliche Nährstoffbilanzen (NO3-N, NH4-N, TP, SRP, SUP/PP und Fe, Ca und K) wurden mit Daten berechnet, die an zwei automatischen Messstationen gewonnen wurden. Diese Messstationen wurden am Beginn und am Ende eines Abschnitts der Duvenseebachniederung im gleichnamigen Bach (südliches Schleswig-Holstein) installiert. Zusätzliche stündliche Messungen physiko-chemischer Parameter (Temperatur, elektrische Leitfähigkeit, pH-Wert und gelöster Sauerstoff) dienten der Interpretation diurnaler und anderer kurzfristiger Schwankungen der Wasserqualität und ihres Einflusses auf die Nährstoffretention. In der Niederung wurde in Piezometern eine monatliche Beprobung zur Bestimmung der Nährstoffkonzentrationen vorgenommen, um die Einträge aus der Niederung in der Massenbilanz zu berücksichtigen. Das Muster des hydrologischen Austausches zwischen Bach und Niederung diente als Basis einer Klassifikation charakteristischer hydrologischer Phasen: Überflutung, Basisabfluss und Niedrigabfluss mit einer Herabsetzung der hydrologischen Konnektivität zwischen Bach und Niederung. Die Retentionsfunktion des Ökosystemkomplexes variierte in diesen Phasen beträchtlich. Nitratretention wurde sowohl während eines Sommerhochwassers (Retention in der Niederung, im Mittel 23 kg NO3-N d-1, 17 %) als auch während einer sommerlichen Niedrigabflussphase (gewässerinterne Retention, im Mittel 1 kg NO3-N d-1, 2 %) beobachtet. Eine effektive Ammonium-Retention war weniger von den Austauschprozessen mit der Niederung abhängig und konnte auf Nitrifikationsprozesse im Bachwasser zurückgeführt werden. Höhere Austräge (-61 %) wurden nur in der Phase des frühsommerlichen Niedrigabflusses beobachtet, als die Sauerstoffkonzentrationen im Bach absanken. Für den gesamten Untersuchungszeitraum wurde ein tägliches Mittel von 1,4 kg N d-1 (27 %) berechnet. SRP-Retention trat nur zeitweilig auf. Insgesamt kam es zu einem Austrag von 0,3 kg d-1 (-10 %). SUP/PP-Retention wurde wie die Nitratretention während des Sommerhochwassers (0,8 kg d-1, 22 %) und während des sommerlichen Niedrigabflusses (0,2 kg d-1, 20 %) beobachtet, was eine Sedimentation auf der Überflutungsfläche oder im Bach selbst anzeigte. Remobilisierung trat mit dem Herbsthochwasser auf. Die TP-Bilanz war wegen des hauptsächlich gelösten P-Transports negativ. Eine Fuzzy Clusteranalyse der einzelnen Tage (Objekte) mithilfe der Retentionsraten sowie hydrologischer und physiko-chemischer Parameter (Variablen) gab die hydrologisch klassifizierten Phasen zu einem Großteil wieder und lieferte außerdem Informationen zu den Übergängen zwischen diesen Phasen sowie über die Steuergrößen der Nährstoffretention. Ein scharfer Übergang trat im Herbst auf, während die Übergänge im Frühjahr und im Sommer wesentlich weicher waren. Das bemerkenswerteste Muster mit sehr kurzfristigen Veränderungen der Clusterzugehörigkeit repräsentierte den Übergang zu einer zusammenhängenden Retentionsphase unter sommerlichen Niedrigabflussbedingungen. Daraus wurde geschlossen, dass die Nährstoffretention nicht nur von den hydrologischen Bedingungen, sondern auch von der saisonalen Ökosystementwicklung im Bach gesteuert wird. Der angeschlossene Hofsee erhält den größten Teil seines Wassers vom Zufluss aus dem untersuchten Niederungs-Bach-Komplex. Seine Nährstoffdynamik kann daher teilweise auf die Dynamik dieses Komplexes zurückgeführt werden. Darüber hinaus zeigt der See Anzeichen interner Eutrophierung und damit ein wesentliches Charakteristikum eines eutrophen Flachsees. Ein Vergleich unterschiedlicher Verfahren zur Berechnung von Nährstofffrachten auf der Basis eines zweiwöchentlichen Probenahmeintervalls zeigte hohe Abweichungen von der täglichen Referenzzeitreihe, die durch die hoch auflösenden Messungen gewonnen wurde. In der Bilanz der gesamten Untersuchungsphase sind die Abweichungen für die Retention relativ gering. Dennoch offenbarten die Frachten der Basisabflussphase, die normalerweise als einigermaßen konstant angenommen werden, die geringste Genauigkeit, wenn die Messungen auf ein größeres Intervall umgestellt werden. Aus den Ergebnissen kann geschlossen werden, dass die Nährstoffretention in Fließgewässer-Niederungs-Komplexen nur optimiert werden kann, wenn beide Systeme als eine funktionale Einheit verstanden werden. Daher sollten Renaturierungsmaßnahmen in erster Linie auf die Erhöhung der hydrologischen Konnektivität von Bach und Niederung abzielen. Weitere Verbesserungen für die Nährstoffretention können durch die Einführung struktureller Heterogenität und durch das Zulassen einer Eigendynamik des Baches erreicht werden. Im Hinblick auf die hohe Variabilität der Austausch- und Retentionsprozesse haben sich hoch auflösende Messungen als geeignetes Verfahren zur Analyse der funktionalen Dynamik des untersuchten Niederungs-Bach-Komplexes erwiesen.

The ability of riverine ecosystems to retain nutrients depends on different hydrological, chemical and biological conditions including exchange processes between streams and wetlands. In this study, nutrient retention in a stream wetland complex was investigated on the timescale of hydrological exchange between both systems. In this thesis, results from a study period in 2004 (March-October) are presented. Daily mass balances of nutrients (NO3-N, NH4-N, TP, SRP, SUP/PP, and Fe, Ca, and K) were calculated with data obtained by two automated measurement stations. These were installed in a reach of the nutrient rich stream ‘Duvenseebach’ upstream and downstream of the wetland ‘Duvenseebachniederung’ in southern Schleswig-Holstein. Additional physico-chemical data (temperature, electrical conductivity, pH, and dissolved oxygen) were recorded in hourly intervals in order to interpret diurnal and other short term fluctuations in water quality and their possible relations to nutrient retention. Monthly samples of nutrient concentrations from piezometers in the wetland were used to include the inputs from the wetland in the mass balances. The pattern of hydrological exchange between stream and wetland served as a basis for the classification of characteristic hydrological phases: floods, base flow conditions, and low flow with a minimum connectivity between stream and wetland. The nutrient retention function of the stream wetland complex varied considerably during these phases. Nitrate retention was found during summer flood (retention in the wetland, mean: 23 kg N d-1, 17 %) and low flow (retention in the stream, mean: 1 kg N d-1, 2 %), respectively. An effective Ammonium retention was less dependent on exchange with the wetland and was probably caused by nitrification in the stream. Net exports (-61 %) were only found during early summer low flow, due to low oxygen concentrations in the stream. A daily retention mean of 1,4 kg N d-1 (27 %) was calculated for the whole study period. SRP retention was only intermittent resulting in a net export of 0,3 kg d-1 (-10 %) for the overall study period. SUP/PP retention also occurred during summer flood (0,8 kg d-1, 22 %) and summer low flow (0,2 kg d-1, 20 %), indicating sedimentation on the floodplain and in the stream, respectively. Remobilization occurred with autumn high flows. The TP-balance was negative, because most of the P was transported in solution. A fuzzy logic clustering of days (objects) by retention rates, hydrological and physicochemical parameters (variables) reflected the hydrological classified phases and their characteristics to the most part. In addition, the clustering delivered information on the nature of transitions between these phases as well as driving forces for nutrient retention. A sharp transition characterized hydrological changes in autumn. In contrast, transitions during spring and summer were much softer. The most remarkable pattern with very short term changes in cluster memberships was the stabilization period to a more coherent retention phase under early summer low flow conditions. Therefore, nutrient retention is clearly shown to be driven not only by hydrological conditions, but also by the seasonal ecosystem development of the stream itself. The adjacent lake “Hofsee” receives most of its water and nutrient inputs from the investigated upstream complex. Its nutrient dynamics can partly be put down to the dynamics found in the stream wetland complex. Moreover, with signs of internal eutrophication it reflects the typical nutrient dynamics of a eutrophic shallow lake. A comparison of different methods to calculate nutrient loads with a biweekly sampling frequency showed high deviations from the loads of the daily reference obtained by high frequency sampling. In the overall season, deviations for seasonal retention based on these loads were low. Nonetheless, especially loads of the base flow phases, which are thought to be quite homogenous, revealed the least accuracy when switching to a greater sampling interval. In conclusion, nutrient retention of stream wetland complexes can only be optimized by regarding both systems as one functional unit. Therefore, restoration measures should focus on the increase of the hydrological connectivity of stream and wetland. Further improvements in nutrient retention could be achieved by introducing structural heterogeneity in the stream itself and by allowing the stream to create some selfdynamics. Due to the high variability of exchange and retention processes, high frequency measurements proved to be an appropriate method for analyzing the functional dynamics of the investigated stream wetland complex.

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Rücker, Kirsten: Zeitlich hoch aufgelöste Untersuchung der Nährstoffretentionin einem Fließgewässer-Niedermoor-Komplex. 2008.

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