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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.
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 wie benthisch, wirbellose 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 wurde ein nichtlinearer Modellierungsansatz für einen deutschlandweiten Datensatz angewendet. Dieser ermöglichte die Quantifizierung von Strömungspräferenzen von Makrozoobenthos für die IHA-Metriken (Kakouei et al. 2017). Im zweiten Schritt wurde 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 (Kakouei et al. 2018). Im dritten Schritt wurde die Unsicherheit in den Prognosen untersucht, indem die Prognosen mit 16 Klimamodellen durchgeführt wurden. Hierbei ist insbesondere die Veränderung der Artenhäufigkeit und der funktionellen Artengruppen interessant (Kakouei et al. 2020).
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. Neben den in Publikationen und der Doktorarbeit veröffentlichten Ergebnissen wurden auch zwei Masterarbeiten, die vor allem den im Feld erhobenen Daten basieren, erfolgreich erstellt. Mathias Goerres, Universität Kiel, 2016: GIS-based mapping and projection of the distribution of microhabitats in rivers. Martin Brosinski, TU Berlin, 2016: Species morphological traits determining the occurrence of benthic invertebrates along gradients of flow conditions.
Kontakt für Teilprojekt 1
Karan Kakouei, kakouei@igb-berlin.de
Teilprojekt 2: Einflüsse des globalen Wandels auf hydrologische Bedingungen
Hydrologische Simulationen dienen als Grundlagen für die Modellierung hydrologischer Parameter in Fließgewässerökosystemen unter veränderten Klimabedingungen.
Dieses Teilprojekt umfasste 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 wurde ein hydrologisches Modell angewendet und so optimiert, dass es die Abflusspräferenzen (sogenannte Indikatoren Hydrologischer Veränderung, IHA) des Makrozoobenthos ideal abbilden kann. Eine umfangreiche Sensitivitätsanalyse wurde durchgeführt, um den Einfluss von unterschiedlichen Modellleistungen auf die Simulation der Biota zu bewerten. Daraus resultierten detaillierte räumlich-zeitliche IHAs der historischen und aktuellen Situation (Kiesel et al. 2017). Diese wurden ergänzt durch eine umfassende Klimawandelstudie unter Berücksichtigung der Unsicherheiten. Die Unsicherheiten sind wichtig, um die modellierten Veränderungen der Arten unter Klimawandel korrekt einzuordnen (Kiesel et al. 2019). Es wurde festgestellt, dass die Auswirkungen des Klimawandels je nach Ökoregion variieren und dass die Wahl des globalen und regionalen Klimamodells höhere Unsicherheiten verursacht als die verwendeten Bias-Korrekturmethoden oder die Wahl des Konzentrationspfades. Diese Unsicherheiten sind entscheidende Informationen, um die Relevanz der vorhergesagten Artenänderungen unter dem Klimawandel zusammen mit WP1 richtig zu interpretieren und zu bewerten. Die Ergebnisse wurden in Publikationen und einer Masterarbeit veröffentlicht. Angelika Kurthen, Fu Berlin, 2019: Metacommunity structuring of macroinvertebrates in high mountain streams, Southwest China.
Kontakt für Teilprojekt 2
Dr. Jens Kiesel, kiesel@igb-berlin.de
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
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 war es, die Vorhersagekapazitäten von SDMs für das Makrozoobenthos durch Einbindung von hydrologischen Variablen, die das Abflussverhalten beschreiben, zu verbessern.
Das Teilprojekt war in drei Schritte unterteilt. Im ersten Schritt wurde ein zeitlich und räumlich (1 km²) hoch aufgelöster Datensatz, der den Abfluss und eine Reihe weiterer hydrologischer Einflussgrößen für Deutschland beinhaltet, erzeugt (Irving et al. 2018). Im Zweiten wurde eine Methode zur Ermittlung der optimalen Variablen für den Einsatz in SDMs entwickelt und der Effekt der Auswahl der hydrologischen Variablen auf SDMs untersucht (Irving et al. 2019). Drittens wurde die Rolle der Hydrologie in SDMs ermittelt, indem der Einfluss von klima- und hydrologiebezogenen Datensätzen untersucht wurde (Irving et al. in prep).
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. Veröffentlicht wurden die Ergebnisse in Publikationen und einer Doktorarbeit.
Kontakt für Teilprojekt 3
Sonja Jähnig, sonja.jaehnig@igb-berlin.de
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
Das Teilprojekt besteht aus zwei Teilen: (A) ein Doktorandenprojekt das sich mit Fragen zur Unsicherheit von unterschiedlich konfigurierten ökologischen Modellläufen befasst(e). Dazu wurde eine Untersuchung zum Einfluss der räumlichen Auflösung von Modellen auf die vorhergesagte Habitateignung und die relative Bedeutung der einzelnen Prädiktoren durchgeführt (Friedrichs-Manthey et al. 2020a). Anhand einer einzigartigen 300-Jahre umfassenden Zeitreihe von 1800 bis 2100, die hydrologische und klimatische Daten beinhaltet, wurde für 49 einheimische Fischarten im oberen Donaueinzugsgebiet die ökologische Distanz zwischen aktuellen, historischen und zukünftigen Umweltbedingungen abgeschätzt. Der Bewertung folgte eine artspezifische Klima-Nischen-Faktor-Analyse, die für alle 49 Fischarten Vulnerabilitätsabschätzungen für zukünftige und historische Umweltbedingungen ergab und den Vorteil bietet, zukünftige Vulnerabilitätsabschätzungen in einen historischen Kontext zu stellen (Friedrichs-Manthey et al. in prep). Die gewonnenen Erkenntnisse über die Umweltveränderungen über den Zeitraum von 300 Jahren werden genutzt, um den Grad der bereits beobachteten Umweltveränderungen innerhalb des aktuellen Schutzgebietsnetzes abzuschätzen. Der Grad der beobachteten Umweltveränderungen wird dann mit den erwarteten Veränderungen unter zukünftigen Szenarien verglichen. Auf der Grundlage dieser Informationen wird eine Naturschutzplanung für räumlich priorisierte Gebiete für mögliche Erhaltungsmaßnahmen durchgeführt. Die Arbeiten für dieses Teilprojekt begannen im März 2017 und der Abschluss der Arbeiten mit der Einreichung der Doktorarbeit an der Freien Universität Berlin ist für Dezember 2020 geplant. Der Titel der Dissertation lautet: "Unsicherheiten in Artenverteilungsmodellen: Auswirkungen von räumlichen und zeitlichen Dimensionen auf zukünftige Vorhersagen".
(B) Darüber hinaus untersuchten wir die Frage, welche ökologischen Auswirkungen von hydrologischen Veränderungen auf großen räumlichen Skalen zu erwarten sind. Dazu werden die in GLANCE auf der Einzugsgebietsskala getesteten Methoden extrapoliert. Globale hydrologische Modellergebnisse und zeitlich-räumliche Umweltvariablen wie Landnutzung, Klima, Staudämme, Wassernutzung und Bevölkerung sowie statische Variablen wie Länder, Breiten- und Höhengrad überlagern den Bedrohungsstatus von Süßwasserarten, der über die Rote Liste der IUCN verfügbar ist. Ein „random-forest machine learning“ Algorithmus nach dem Zufallsprinzip wurde verwendet, um zu bestimmen, welche Umweltvariablen wesentlich zur globalen Süßwasser-Biodiversitätskrise beitragen. Die Ergebnisse zeigen, dass der Biodiversitätsverlust eine starke räumliche Autokorrelation aufweist, was darauf hinweist, dass die Artensituation durch ökoregionale und länderspezifische Umweltveränderungen beeinflusst wird (Kiesel et al. in Vorbereitung).
Kontakt für Teilprojekt 4
Martin Friedrichs, friedrichs@igb-berlin.de und Dr. Jens Kiesel, kiesel@igb-berlin.de
Teilprojekt 5: Synthese und Praxistransfer
Synthese und Diskussionen im Hinblick auf wasserwirtschaftliche Anwendungen. Dieses fünfte Teilprojekt wurde während der Erweiterungsphase hinzugefügt, um die Wirkung der Projektergebnisse zu maximieren und den Wissenstransfer in die wasserwirtschaftliche Praxis zu erleichtern.
Innerhalb dieses Teilprojektes erfolgte (A) die Synthese der Ergebnisse und (B) Aufgaben des Transfers in die Wissenschaftsgesellschaft, einschließlich der Handhabung komplexer Datensätze, einer umfangreichen Unsicherheitsanalyse und der Koordination mit den Wasserwirtschaftsbehörden und potenziellen Nutzern der Modellierungsansätze wurden bearbeitet. Eine Reihe verwandter Manuskripte führt verschiedene Teile der Projekte zusammen und/oder greift auf Kooperationsprojekte zurück, die sich mit verwandten Themen wie invasive Arten und die Auswirkungen des Klimawandels auf Fischarten in Europa befassen. Die Unsicherheit des Klimawandels und die Minimierung dessen wurden von Kiesel et al. (2019) untersucht, was im Weiteren zur Untersuchung von acht verschiedenen Methoden zur Unterauswahl von Klima-Ensembles aus größeren Ensembles führte. Methoden, die die Vielfalt der Klimamodelle berücksichtigen, sind bei der Darstellung des tatsächlichen Klimaänderungssignals auf Fließgewässern besser als Methoden, die einzelne Modelle auswählen, obwohl diese auf der Minimierung der historischen Modellfehler beruhten (Kiesel et al. 2020b). Kiesel et al. (2020a) haben außerdem den Einfluss der Leistung hydrologischer Modelle auf die Modellierung von Arten untersucht. Dies erlaubt Empfehlungen abzugeben, wann ein hydrologisches Modell für die Modellierung von Arten ausreichend angepasst ist. Wir konnten zeigen, dass (1) es wichtig ist, dass das Modell auf die hydrologischen Anforderungen der Art kalibriert ist und (2) dass eine bestimmte Modellleistung notwendig ist, um stabile Ergebnisse in der ökologischen Bewertung zu erzielen.
Ähnlich wie die Makroinvertebraten werden viele Süßwasserfische in Europa in Zukunft durch den Klimawandel stark bedroht sein. Dies betrifft insbesondere Arten im Mittelmeerraum. Insgesamt wurden 443 verschiedene europäische Süßwasserfischarten analysiert und eine Liste besonders empfindlicher Fischarten erstellt. Demnach sind Arten in extremen Lebensräumen, die durch Hitze und Trockenheit gekennzeichnet sind, durch den Klimawandel besonders bedroht. Sie sind besonders anfällig für eine weitere Verschlechterung der Lebensbedingungen. Die Liste enthält zwar viele Fischarten, die von geringer kommerzieller und fischereilicher Bedeutung sind, doch spielen sie eine wichtige Rolle in Nahrungsnetzen und Ökosystemen und wirken sich somit auf das gesamte System aus. Managementmaßnahmen sollten sich daher nicht nur auf die Fischerei konzentrieren, sondern auch auf die Erhaltung der biologischen Gemeinschaften und die komplexen Dienstleistungen für Natur und Mensch (Jarić et al. 2019).
Neben Klima- und Landnutzungsänderungen sind invasive Arten ein weiterer großer Stressfaktor in Süßwasser-Ökosystemen, wobei einige zu einem Problem für einheimische Arten werden - als Raubtiere, Konkurrenten um Nahrung und Lebensraum oder Überträger von Krankheiten. Diese Arten gelangen z.B. über den Handel mit Zierfischen im Aquarium/Teich in die Gewässer. Jarić et al. 2020 gingen der Frage nach dem "Charisma" solcher Arten nach und stellten fest, dass charismatische Arten wahrscheinlich absichtlich häufiger eingeführt werden als unscheinbare Arten. Darüber hinaus ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich eine Art etabliert, umso größer, je häufiger und je größer die Anzahl der eingeführten Individuen ist. Darüber hinaus ist die Akzeptanz attraktiver invasiver Arten in der Gesellschaft höher als die von invasiven Arten mit wenig Charisma. Dies kann Maßnahmen, die die Ausbreitung einer Art eindämmen sollen, behindern.
Des Weiteren waren wir zentral an Analysen zu den Auswirkungen von weltweit geplanten und im Bau befindlichen Großstaudammprojekten auf die Biodiversität im Süßwasser, insbesondere auf die Süßwasser-Megafauna, beteiligt (Zarfl et al. 2019). Die Studie untersuchte, welche zukünftigen Standorte potenziell Auswirkungen auf die Artenvielfalt der Süßwasser-Megafauna haben könnten und damit mögliche Konflikte zwischen Klima- und Artenschutz aufzeigen, wenn die Wasserkraft als erneuerbare Energiequelle zur Bekämpfung des Klimawandels ausgebaut wird. Die Staudammprojekte konnten im Hinblick auf ihre möglichen Auswirkungen auf die Vielfalt der Süßwasserarten kategorisiert und quantifiziert werden, in welchen Regionen Ökosysteme und Biodiversität besonders gefährdet sein könnten. Viele der geplanten Staudämme werden in Gebieten mit der größten Vielfalt an Süßwasserarten gebaut, wie zum Beispiel im Amazonas, Kongo, Mekong und Ganges.
Kontakt für Teilprojekt 5
Sonja Jähnig, sonja.jaehnig@igb-berlin.de