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The impact of deposited fine sediment on benthic macroinvertebrates in small headwater streams in Luxembourg

Bertrab, Marta von

Intensive agriculture causes increased soil erosion worldwide, resulting in a higher level of fine sediment in aquatic systems. Although the accumulation of fine sediment (incorganic and organic particles) on the streambed is a widely-known phenomenon in streams and rivers, no comprehensive field studies have been conducted on the effect of deposited fine sediment on the benthic macroinvertebrates in small headwater streams in Central Europe. This thesis’ current questions are, firstly, which environmental variables influence the input and the deposition of fine sediment and, secondly, does the sedimentation impact the indicator species’ and macroinveterbates’ community composition. Located in the Ardennes Mountains, this case study focused on 11 tributaries of the river Our in northern Luxembourg and the bordering Rhineland-Palatinate (Germany). The increased soil erosion of this catchment area is caused by the soil type (a layer of clay and silt) as well as the tillage, which is mainly conducted on the slopes. A total of 29 samples sites were recorded the fine sediment and environmental variables as well the benthic macroinvertebrates, in the period from 2008 to 2010. The surficially deposited fine sediment was recorded for one year from autumn 2008 to autumn 2009 using artificial turf mats. Every three weeks two sections were collected from each site: one with rapid flow velocity (riffles) and the other with a sinking area for particles (pools). The amount of fine sediment was weighed; the proportion of organic matter and the proportion of carbon to nitrogen (C/N ratio) as a measurement of microbial decomposition in the deposition were calculated. Additionally, the numerous environmental variables acting on diverse spatial scales were recorded during the sampling periods, such as on the catchment scale (e.g., the land use in the catchment, the catchment area), on the riparian zone (e.g., the land use directly on the stream bank or in a distance of five meters, the shadowing); on the in-stream scale (e.g., the bank height, the physicochemical parameters, the substrate distribution); as well as on the deposited patches (e.g., flow velocity, water depth, substrate cover). The recorded sediment and environmental data were applied to all studies and utilized the ordinations and regressions analyses. The fine sediment components were mostly influenced by the environmental variables of the in-stream scale (33 - 40%) and the catchment scale (24 - 34%), which reflected the explained variance for all components with nearly 100% in the partial redundant analysis (pRDA) and RDA (41 - 57%). The proportion of cropland in the catchment was related to the amount of fine sediment (12%). In contrast, the maximum level of conductivity in the water column associated with the nutrient enrichment was best explained by the C/N ratio (17%). The percentage of fine gravel on the streambed was connected to the amount of fine sediment (18%). This underlies the significance of the hydromorphological in-steam properties such as the flow velocity or the substrate distribution for the deposition processes. The macroinvertebrate assemblages in the stream reaches were recorded using the standardised procedure based on multi-habitat sampling in autumn 2008 and spring 2009. The species composition and selected biological metrics were obtained in response to fine sediment metrics and additional environmental variables. As a result of canonical corresponded analysis, only the C/N ratio of 11% of deposited fine sediment explained the community composition, which emphasizes that the chemical composition of deposition and not the amount of fine sediment plays an essential role for the biota. Despite the C/N ratio, the oxygen parameters were key variables influencing both the community composition and the biological metrics. This revealed the contribution of eutrophication in the deposited fine sediment and in the water zone. The effect of locally deposition patterns and environmental variables on the abundance of eight insect larvae were examined in the two sections of riffles and pools. Both fine sediment cover in the patches and fine sediment amount at the site have a generally low impact on the species’ abundance. Only two species have a strong relationship to fine sediment: Ephemera danica to fine sediment cover in pools (R2 = 0.74, p < 0.001) and Philopotamus ludificatus (R2 = 0.72, p < 0.001) to the amount of fine sediment recorded at the sites. In conclusion, this doctoral thesis demonstrates that the effect of siltation on the biota in the small headwater streams in rural areas is low. The possible reasons were discussed in detail and included the relatively homogenic geographical situation in this region, the possible absence of reference communities, the short-term effect of high amounts of sediment during periods of insect emergence or the young larval stage. In addition, the hydromorphological characteristics of small headwater streams provide a diversity and richness of microhabitats and deposition patterns, which is essential for bentic macroinvertebrates.

Die Intensivierung der Landwirtschaft führt weltweit zur verstärkten Bodenerosion und zu diffusen Einträgen von Feinsediment in die Gewässersysteme. Eine flächendeckende Verschlammung und Versandung der Gewässersohle ist ein weit verbreitetes Bild vieler Fließgewässer, jedoch existieren bisher keine ausführlichen Studien über die Auswirkungen der Feinsedimentablagerung auf benthische Wirbellose in mitteleuropäischen Mittelgebirgsquellbächen. Welche Umweltfaktoren den Eintrag und die Ablagerung von Feinsediment im Gewässer beeinflussen, und wie die Sedimentation auf einige Insektenlarven und die Makrozoobenthos Gemeinschaft wirkt, sind die Kernfragen dieser Doktorarbeit. Diese Fallstudie wurde an den Zuflüssen der Our im nördlichen Luxemburg und dem angrenzenden Bundesland Rheinland-Pfalz durchgeführt. Die zwischen Tonschiefergesteinen auftretenden erosionsanfälligen feinkörnigen Auenlehmlagen werden infolge der landwirtschaftlichen Landnutzung verstärkt auf den Hängen abgetragen. Insgesamt wurden im Zeitraum 2008 bis 2010 an 11 Quellbächen mit 29 Probestellen das Feinsediment, benthische Proben und Umweltparameter erfasst. Das auf der Gewässersohle abgelagerte Feinsediment wurde im Verlauf eines Jahres (Herbst 2008 bis Herbst 2009) mit Hilfe von Kunstrasenstücken beprobt. Alle drei Wochen wurde in den entsprechenden Gewässerabschnitten das Feinsediment in strömungsschnellen (Riffle) und strömungsruhigen (Pool) Bereichen gesammelt. Das Feinsediment wurde gewogen, und der relative Anteil an organischer Substanz sowie als Maß für die mikrobielle Zersetzung das Verhältnis von Kohlenstoff zu Stickstoff (C/N Verhältnis), bestimmt. Mehrere Umweltparameter unterschiedlicher räumlicher Maßstäbe, wie die Einzugsgebiet-Skala (z.B. Nutzungsart und -deckung, Einzugsgebietsgröße), die Gewässernähe (Relativer Anteil der Vegetationsarten direkt am und in fünf Meter Entfernung vom Gewässer, Beschattung), das Gewässer (z.B. Uferhöhe, Substratverteilung, physikochemische Parameter) und die Ablagerungsmuster (z.B. Fließgeschwindigkeit, Wassertiefe, Feinsedimentdeckung), wurden erhoben. Die Umweltparameter wurden in Hinblick auf die Fragestellungen entsprechend aufbereitet und analysiert. Die Ergebnisse der Redundanzanalysen offenbaren für die Feinsedimentablagerung eine hohe Bedeutung der Gewässer- und Einzugsgebietsfaktoren. Der Eintrag von Feinsediment wird durch die intensive ackerbauliche Nutzung im Einzugsgebiet verstärkt, was eine hohe Korrelation (12%) zwischen dem Anteil an Ackerland mit der Feinsedimentmenge verdeutlicht. Hingegen steht das C/N Verhältnis mit dem Maximalwert der Leitfähigkeitsreihe im Zusammenhang, was auf eine Verbindung zur Nährstoffanreicherung im fließenden Wasser hinweist. Die hydromorphologischen Gewässerbettgegebenheiten, wie die Substratverteilung und die Strömungsgeschwindigkeit, spielen dagegen die größte Rolle für die Ablagerungsmuster im Gewässerbett. In einer weiteren Studie wurde der Einfluss der Umweltparameter auf die Artenzusammensetzung und auf die auf Basis der Taxaliste berechneten biologischen Indizes mit weiteren Ordinationsanalysen überprüft. Das C/N Verhältnis und die Sauerstoffparameter sind die wichtigsten Kenngrößen sowohl für die Artenzusammensetzung als auch für die biologischen Indizes. Dies unterstreicht die Mitwirkung anderer Stressoren wie die Eutrophierung. Die Nährstoffanreicherung in der Ablagerung und im Wasser verursacht eine starke biologische Aktivität und daraus resultierende Sauerstoffzehrung, was einschränkend auf die Organismen wirken kann. Nicht die Feinsedimentmenge sondern die chemische Zusammensetzung des Feinsediments hat den größten Einfluss auf die Artenzusammensetzung. In einer weiteren Studie wurde der Einfluss der Feinsedimentmenge auf acht ausgewählte Insektenlarven überprüft. Die Arten wurden in quadratischen Flächen in Riffles und Pools gezählt und die kleinräumigen Besiedlungsmuster der Arten charakterisiert. Sowohl die Feinsedimentdeckung der untersuchten Flächen als auch die charakterisierenden Bestandteile des Feinsediments in den Gewässerabschnitten haben einen geringeren Einfluss auf die Artenabundanzen. Nur zwei Arten zeigten einen starken linearen Zusammenhang mit der Feinsedimentmenge: Ephemera danica (R2 = 0,74, p < 0,001) zur Feinsedimentdeckung in Pools und Philopotamus ludificatus (R2 = 0,72, p < 0,001) zur Feinsedimentmenge im Gewässerabschnitt. Zusammenfassend zeigt diese Forschungsarbeit, dass in einer ländlichen Region die Sedimentation eine geringere Auswirkung auf die Biozönose der Quellbäche ausübt, was mehrere Gründe haben könnte und im Rahmen dieser Arbeit ausführlich diskutiert wurde. Zu den mutmaßlichen Gründen zählen wegen der homogenen geographischen Bedingungen die fehlende Referenzbiozönose sowie kurzzeitige Wirkung an hohen Mengen an Feinsediment, was in den Zeiträumen von Emergenz der Insekten oder jüngeren Larvalstadien stattfinden könnte. Ferner bieten die Quellbäche durch ihre hydromorphologische Charakteristik zahlreiche kleinräumige Mosaikstrukturen, die für eine Vielzahl von Organismen von Bedeutung sind.

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Bertrab, Marta von: The impact of deposited fine sediment on benthic macroinvertebrates in small headwater streams in Luxembourg. 2013.

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