Forschungsprojekt

Motivation:

Viele bewaldete Wassereinzugsgebiete auf der Nordhalbkugel weisen langfristig ansteigende Konzentrationen von gelöstem organischem Kohlenstoff (DOC) in Oberflächengewässern auf („browning the waters“), mit Auswirkungen auf aquatische Ökosysteme und Nutzungen. Steigenden DOC-Konzentrationen wurden auch in Oberflächengewässern im Nationalpark mit seinen durch Menschen wenig beeinflussten Waldökosystemen registriert.

Dies ermöglicht eine einzigartige Versuchsanordnung, um die Ursachen dieser Trends ohne Eingriffe des Menschen wie Verbauung der Gerinne und direkte Nährstoff- und Schadstoffeinträge zu untersuchen. Dabei kann auf die laufenden, bis 1977 zurückreichenden hydrologischen, hydrobiologischen und hydrobiogeochemischen Monitoring-Programme zurückgegriffen werden. Landes- und Bundesbehörden untersuchen im Modelleinzugsgebiet Große Ohe dauerhaft den Wasser- und Stoffhaushalt und seine Veränderungen unter dem Einfluss des Globalen Wandels. Der Forschungsverbund Große Ohe bietet mit seiner Fülle an verlässlichen Daten die Basis, auf der vier JuniorforscherInnen der Universitäten Bayreuth und Dresden, des Umweltfoschungszentrums Leipzig und der Senckenberggesellschaft für Naturforschung in Gelnhausen die nachfolgend skizzierten Fragestellungen/Themenkomplexe im Rahmen von Dissertationen wissenschaftlich bearbeiten.

Fragestellungen

1. Bei Regenereignissen wird häufig eine große Menge an DOC in die Fließgewässer gespült. Spielen Geländeform und Geologie eine dominante Rolle bei der Freisetzung und dem Transport von DOC, weil sie zur Ausbildung bestimmter Fließpfade des Wassers zum Gerinne und zu unterschiedlichen Verweil- und Reaktionszeiten führen?
2. Resultieren daraus unterschiedliche Qualitäten des DOC im Fließgewässer, deren Herkunft und Herkunftsräume sich analytisch auf der Ebene der Moleküle charakterisieren und unterscheiden lassen?
3. Lassen sich die wichtigsten Herkunftsräume, Fließpfade und Aufenthaltszeiten des DOC sowie die Mechanismen der Mobilisierung im Hochwasserfall in einem hydrologischen Modell abbilden? Welche Informationen werden auf unterschiedlichen räumlichen Ebenen für die Auswahl und den Aufbau eines solchen prozessorientierten hydrologischen Vorhersagemodells benötigt?
4. Welchen Erklärungsbeitrag liefert die Veränderlichkeit der Konzentrationen und Qualitäten des DOC für die zeitlichen und räumlichen Muster der Diversität (Arten, Ernährungstypen, u.a.) der am Gewässerboden lebenden Organismen, die mit dem Auge erkennbar sind (Makrozoobenthos)?
   

Projektziel:

Die Ergebnisse der geplanten interdisziplinären Untersuchungen sollen in die Entwicklung eines mathematischen Modells zur Abbildung und Vorhersage der räumlichen, zeitlichen und qualitativen Dynamik der DOC-Exporte aus dem Einzugsgebiet Große Ohe sowie den damit verbundenen Wirkungen auf die Makrozoobenthos-Lebensgemeinschaften münden, das auch auf andere Regionen übertragbar ist.

Untersuchungsdesign:

Die vier WissenschaftlerInnen arbeiten schwerpunktmäßig am Hinteren Schachtenbach im Einzugsgebiet des Seebachs und am Forellenbach im Einzugsgebiet des Vorderschachtenbachs, die beide zur Großen Ohe zusammenfließen.

Am Hinteren Schachtenbach werden die DOC-Konzentrationen mit Hilfe von UV-Vis-Spektrometrie an mehreren Standorten Ohe kontinuierlich gemessen. Bei Regenereignissen werden zusätzliche Proben im Längsverlauf des Baches genommen, ebenso Bodenwasser und oberflächennahes Grundwasser. In diesen Proben werden weitere chemische Parameter, die molekulare Zusammensetzung des DOC mit ultra-hochauflösender Massenspektrometrie (FT-ICR MS), das Kohlenstoffalter mittels Radiocarbonmethode und Holzstoff-Biomarker zur Herkunft des Kohlenstoffs bestimmt.

Am Forellenbach wurden Bodenmessplätze an einen Hang mit Anschluss an den Auenbereich eingerichtet. Hier wird über Messung der Wassergehalte und Bodentemperaturen in verschiedenen Tiefen die Abflussbildung am Hang in Verbindung mit Grundwasserstandsänderungen untersucht. Während Hochwasserereignissen werden abflussabhängig Wasserproben vom Forellenbach und der Großen Ohe und zusätzlich Proben von Bach-, Boden-, Grundwasser und Niederschlagswasser gewonnen. Die Konzentrationen der chemischen Komponenten und der Verhältnisse der natürlichen Isotope des Wassers im Verlauf von Hochwasserereignissen erlauben Aussagen über Abflussbildungsprozesse und Mechanismen der DOC-Mobilisierung.

Der Einfluss veränderlicher DOC-Konzentrationen auf die Variation der Artzusammensetzung und der funktionellen Eigenschaften des Makrozoobenthos wird an langen Datenreihen der amtlichen Gewässerüberwachung untersucht. Die Übertragbarkeit möglicher Befunde wird an Daten von skandinavischen Fleißgewässern getestet werden.

Finanzierung:

Die DoktorandInnen erhalten eine Grundförderung über Stipendien vom deutschen Stiftungszentrum; sie stammen aus Mitteln der Rudolf und Helene Glaser-Stiftung und der Bernhard und Ursula Plettner-Stiftung. Sachmittel stellen die beteiligten wissenschaftlichen Institute und die Nationalparkverwaltung zur Verfügung. Sie leistet auch personelle Unterstützung bei Feldarbeiten und Messkampagnen vor Ort.

Institute der Juniorforschergruppe:

• Lehrstuhl für Hydrologie der Universität Bayreuth ( http://www.hydro.uni-bayreuth.de/)
• Helmholtz Zentrum für Umweltforschung Leipzig, Department Hydrogeologie und Department Analytik ( https://www.ufz.de/)
• Professur für Hydrologie der Technischen Universität Dresden (https://tu-dresden.de/bu/umwelt/hydro/ihm/hydrologie)
• Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung, Abteilung Fließgewässerökologie und Naturschutzforschung (https://www.senckenberg.de/de/institute/)
  

Ansprechpartner:

Burkhard Beudert
Projektkoordinator
burghard.beudert@npv-bw.bayern.de