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Stoffflüsse in Makrophytensystemen: Ein Vergleich zwischen Küstenlagunen der südlichen Ostsee

  • In früheren Jahrzehnten verschlechterte sich der ökologischen Zustand von zahlreichen inneren Küstengewässern der Ostsee durch die Eutrophierung, was z. B. zu intensiven Algenblüten führte. Submerse Makrophyten können den ökologischen Zustand von Süßgewässern verbessern, denn sie unterstützen z. B. die Sedimentation von suspendiertem Material und verringern die Resuspension. Zudem reduzieren sie indirekt das Phytoplankton, weil sie Zooplankton einen Prädationsschutz bieten und somit die Beweidung des Phytoplanktons durch das Zooplankton fördern. Es ist möglich, dass diese Rückkopplungsmechanismen in Brackgewässern weniger effektiv sind. Das Zooplankton ist anders zusammengesetzt und beweidet dadurch weniger effektiv das Phytoplankton. Außerdem wird es selbst, innerhalb der Makrophyten, durch bestimmte Fische und Invertebraten gefressen. In der vorliegenden Arbeit, wurden die Interaktionen zwischen submersen Makrophyten und ihrer abiotischen und biotischen Umgebung in zwei verschiedenen Küstengewässern der südlichen Ostsee untersucht: Vitter Bodden (mesotroph, Makrophyten-dominiert) und Darß-Zingster Boddenkette (DZBK, eutroph bis stark eutroph, Phytoplankton-dominiert). Die folgenden Parameter wurden von Juni bis September 2013 (Vitter Bodden) und von März bis November 2014 (DZBK) gemessen: Lichtattenuation, Konzentration von Gesamt-suspendiertem Material (TSM), von Chlorophyll a (Chl a), von Gesamt-Phosphor (TP) und von Gesamt-Stickstoff (TN). Zudem wurden die Verhältnisse TP zu TN und Chl a zu TP bestimmt. Der Beweidungsdruck des Zooplanktons auf das Phytoplankton wurde sowohl für den Tag als auch für die Nacht berechnet, in dem das jeweilige Zooplankton ausgezählt, die Biomasse und die Beweidungsrate berechnet wurde. Im Vitter Bodden wurde die Zusammensetzung der Makrophyten bestimmt, sowie ihr Bedeckungsgrad und ihr Anteil an der Wassersäule (PVI) in einer Wassertiefe <1 m geschätzt. In der DZBK wurde die Biomasse der Makrophyten bis in eine Wassertiefe von 1,9 m bestimmt. Die Tiefenverbreitung der Makrophyten war im Vitter Bodden nicht Licht-limitiert, aber in der DZBK, da sich dort der Hauptanteil der Makrophytenbiomasse nur bis in eine Wassertiefe von 1 m befand. In der DZBK hatte das Phytoplankton einen großen Anteil an der Lichtattenuation und limitierte dadurch vermutlich die Lichtverfügbarkeit nicht nur für die Makrophyten sondern auch für sich selbst. Aufgrund der TN zu TP Verhältnisse war das Phytoplankton in der DZBK P-limitiert, während es im Vitter Bodden durch beide Nährstoffe gleichzeitig limitiert war. Die Beweidung durch das Zooplankton konnte zeitweise vermutlich das Phytoplankton im Vitter Bodden reduzieren, aber nicht in der DZBK. Der Bedeckungsgrad der Makrophyten war hoch, aber sie hatten eine flache Wachstumsform und daher nur einen geringen PVI. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der vermutlich hohe Wasseraustausch mit der Ostsee und der fehlende Eintrag aus Fließgewässern verantwortlich für die hohe Lichtverfügbarkeit im Vitter Bodden sind. Ein möglicher Einfluss der Makrophyten auf Wassertrübung, Nährstoffe, Phytoplankton und Zooplankton wurde vermutlich durch diesen Wasseraustausch maskiert. Im Gegensatz dazu gab es keine Effekte der Makrophyten auf Nährstoffe in der Wassersäule, sowie auf Phytoplankton und Zooplankton in der DZBK, da die Makrophyten nur auf die Randbereiche der Bodden beschränkt sind. Da Sedimentation und Resuspension hauptsächlich die Wassertrübung beeinflussen, wurde in einem weiteren Teil der vorliegenden Arbeit ermittelt, in wie weit Wind-induzierte Wellen die Sedimentationsraten beeinflussen, wenn sie unmittelbar sedimentiertes Material wieder resuspendieren. Zu diesem Zweck wurden zwei verschiedene Sedimentationsfallen verwendet: Zylinderfallen (ZF) und Tellerfallen (TF). Die TF wurden in dieser Studie das erste Mal an einem Wellen-exponiertem Standort verwendet. Sie erlaubten, dass unmittelbar sedimentiertes Material wieder resuspendiert werden konnte, was die ZF nicht konnten. Sedimentationsraten wurden mit beiden Fallentypen in einer Wassertiefe zwischen 0,9 m und 1,6 m bestimmt. Die Wellenexposition wurde berechnet, indem die halbe Oberflächenwellenlänge (λ/2) durch die Wassersäule oberhalb der Fallen (dF) dividiert wurde. Eine hohe Wellenexposition war definiert als (λ/2) / dF >1. Die Sedimentationsraten in beiden Fallentypen waren von der Wellenexposition beeinflusst. Jedoch in gegensätzlicher Weise. Bei hoher Wellenexposition sedimentierte ein geringerer Anteil des TSM pro Stunde auf den TF als bei geringer Wellenexposition, während in den ZF ein größerer Anteil sedimentierte. Daher wurde die Sedimentationsrate bei hoher Wellenexposition mit den ZF überbestimmt. Die verwendeten TF sind ein viel versprechendes Mittel um Sedimentationsraten in flachen, Wellen-exponierten Orten abzuschätzen, denn sie reflektieren den unmittelbaren Einfluss von Wellenbewegungen auf die Sedimentation von suspendiertem Material.
  • In the past decades, eutrophication led to an unsatisfying ecological state of several coastal lagoons around the Baltic Sea, resulting e. g. in extensive harmfull algae blooms. In freshwaters, submerged macrophytes were used to improve the ecological state of lakes or rivers. For example, macrophytes directly reduce water turbidity as they promote sedimentation of suspended matter and limit resuspension of sediment. They also provide zooplankton a refuge against predators. As zooplankton graze on phytoplankton, macrophytes indirectly promote reduction of phytoplankton biomass and therefore, reduce water turbidity. It might be possible that these feedback mechanisms are less effective in brackish waters, as e. g. zooplankton grazing on phytoplankton is less efficient due to a different species composition and a higher mortality of zooplankton caused by fishes and invertebrates within macrophyte stands. In the present thesis, interactions between submerged macrophytes and their biotic and abiotic environment were determined in two shallow brackish coastal lagoon systems located in the southern Baltic Sea: Vitter Bodden (macrophyte-dominated, mesotrophic) and Darss-Zingster-Bodden chain (DZBC, phytoplankton-dominated, eutrophic to heavily eutrophic). The effects of submerged vegetation on the ecological status of the two studied brackish lagoon systems were discussed. To analyse the interactions between submerged macrophytes and their abiotic and biotic environment, the following parameter were determined, from June to September 2013 (Vitter Bodden) and from March to November 2014 (DZBC): Light attenuation, concentrations of total suspended matter (TSM), detritus, chlorophyll a (Chl a), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), ratios of TP to TN and of Chl a to TP. Grazing pressure of zooplankton on phytoplankton were calculated, by determining zooplankton abundance, biomass and grazing rate, both at day and at night. Macrophyte composition, coverage and biomass, as well as percentage of the water column infested by macrophytes (PVI) were estimated at water depths below 1 m in the Vitter Bodden. Macrophyte biomass was measured down to 1.9 m in the DZBC. Macrophytes’ depth distribution was not limited by light availability in the Vitter Bodden but in the DZBC. The major portion of macrophytes biomass was found in water depth not deeper then1 m in the DZBC. Phytoplankton had a substantial contribution to light attenuation in the DZBC and therefore, probably limited light availability for macrophytes and for itself as well. TN to TP ratios indicated P-limitation of the phytoplankton in the DZBC, and indicated co-limitation by P and N in the Vitter Bodden. Zooplankton grazing had probably a limiting effect on phytoplankton biomass in the Vitter Bodden but not in the DZBC. An overall small growth form of the macrophytes limited the vertical expansion of macrophytes into the water column in the Vitter Bodden, leading to low PVI values despite high coverages. In conclusion, the considerable water exchange with the Baltic Sea and missing river-runoff probably sustained a high light availability in the Vitter Bodden. Possible influences of macrophytes, on water turbidity, phytoplankton nourishment and zooplankton protection against predation, were probably masked by this water exchange at the studied shallow parts of the Vitter Bodden. There are no or negligible effects of macrophytes on nutrients in the water column, on phytoplankton biomass and on zooplankton abundance and biomass in the DZBC, as the macrophytes are restricted to the lagoons’ margins. As sedimentation and resuspension play a major role for water turbidity in shallow waters, the aim of the second part of this study was to determine an influence of wind-induced waves on sedimentation rates by resuspending instantaneous settled matter. For this purpose, sedimentation rates of suspended matter were determined at one location in the DZBC between 0.9-1.6 m water depths. Two different types of sedimentation traps were used, cylindrical traps (CT) and plate traps (PT). PT allowed already settled matter to resuspend, whereas CT did not. For the first time the PT were used at a wave exposed location. Wave exposure was calculated by dividing half wave length (λ/2) by the water column above the traps (dT). High wave exposure was defined as (λ/2) / dT >1. The sedimentation rates in both trap types was influenced by wave exposure, however, in two contrary ways. At high wave exposure, PTs trapped less percentage of TSM per hour than at low wave exposure, whereas the CTs trapped more percentage of TSM per hour. Therefore, CTs overestimated sedimentation rates at high wave exposure. The used PTs are a promising tool to estimate sedimentation rates at shallow, wave exposed locations, as they reflected the instantaneous influences of wave motions on sedimentation of suspended matter.

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Metadaten
Author: Jutta Meyer
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002856-5
Title Additional (English):Interactions between submerged macrophytes and their biotic and abiotic environment: Comparisons among coastal lagoons of the southern Baltic Sea
Advisor:Dr. Irmgard Blindow
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2017/08/03
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2017/06/16
Release Date:2017/08/03
Tag:Lichtverfügbarkeit, Nährstoffe, Rückkopplungsmechanismen, innere Küstengewässer, submerse Makrophyten
feedback mechanisms, inner coastal lagoons, light attenuation, nutrients, submerged macrophytes
GND Keyword:Ostsee, Phytoplankton, Zooplankton
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Botanik und Landschaftsökologie & Botanischer Garten
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie