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Ökologische Wirksamkeit von Renaturierungsmaßnahmen an einem Tieflandfluss : Reaktion von Hydromorphologie, Makrozoobenthos und Uferfauna

Schattmann, Andreas

Hintergrund Im Zuge der Maßnahmenplanung an Fließgewässern werden zunehmend Maßnahmen zur Verbesserung der Hydromorphologie der Fließgewässer (Renaturierungsmaßnahmen) not-wendig. Ausgangspunkt dafür ist die über weite Strecken stark defizitäre hydromorphologi-sche Ausstattung der Fließgewässer in Folge von technischen. Diese Situation spiegelt sich in den Ergebnissen der Bestandsaufnahme und des Monitoring nach EU-WRRL wider. Um die finanziellen Mittel für die Renaturierungen effizient einsetzen und die ökologisch sinnvollsten Maßnahmen umsetzen zu können, sind Erkenntnisse zu deren Wirkung auf die Habitatvielfalt und die Lebensgemeinschaften unerlässlich. Die Auswirkungen einer durch Renaturierungsmaßnahmen veränderten Laufform auf die Strömungs- und Substratverhält-nisse in Fließgewässern und damit auf die Besiedlung des Makrozoobenthos ist noch nicht in ausreichendem Maße erforscht. Das gilt auch für die Wirkungen derartiger Umgestaltungs-maßnahmen auf die Ausprägung und Dynamik der wechselfeuchten Bereiche an den Ufern und in den Gewässerauen und damit auf die Besiedlung dieser Bereiche durch Laufkäfer und Spinnen. Zielsetzung Zur Verbesserung der wissenschaftlichen Erkenntnisse zu dieser Fragestellung wurden im Rahmen der Dissertation an der Niers, einem organisch geprägten Fluss im linksniederrhei-nischen Tiefland, zwei renaturierte Gewässerabschnitte mit einem degradierten Gewässer-abschnitt verglichen. Im Fokus standen dabei die hydromorphologische Ausstattung von Gewässer und Aue sowie die Zusammensetzung der Artengruppen Makrozoobenthos, Lauf-käfer und Spinnen. Die in den Jahren 2000 und 2006 durchgeführten Maßnahmen umfass¬ten Laufverlegungen und Laufaufweitungen, die Anlage einer Ersatzaue mit feuchten Mulden und Stillgewässern sowie den Einbau von Totholz. Ziel war es, Art und Umfang von hydromorphologischen und biologischen Veränderungen zwischen den ausgebauten und renaturierten Abschnitten auf der räumlichen und zeitlichen Skala aufzuzeigen und zu bewerten. Durch Aufzeigen von Art und Ausmaß der Unterschiede in den Habitatbedingungen und der Besiedlung und konnten Aussagen zur Effizienz der durchgeführten Maßnahmen getroffen werden. Es wurden solche Metrics ermittelt, die die eingetretenen Veränderungen am besten beschreiben und sich als potenzielle Indikatoren für Renaturierungsmaßnahmen eignen. Diese Informationen ermöglichten die Ableitung eines Mindestumfangs von Untersuchungen zur Erfolgskontrolle. Zudem konnten Hinweise zur Maßnahmenoptimierung abgeleitet wer-den. Die Arbeit leistet damit einen Beitrag zum Verständnis von Maßnahmenwirkungen und zur Optimierung der Planung und Umsetzung weiterer Renaturierungsmaßnahmen. Untersuchte Hypothesen 1. Hydromorphologische Parameter sind in den renaturierten Abschnitten auf allen Skalen diverser als im degradierten Abschnitt 2. Die Besiedlung des Makrozoobenthos weist Unterschiede zwischen den renaturierten und dem degradierten Abschnitt auf - die renaturierten Abschnitte zeigen Anzeichen für eine verbesserte, typspezifischere Besiedlung 3. Die Besiedlung des Makrozoobenthos in vergleichbaren Habitaten ist diverser in den re-naturierten Abschnitten 4. Die Besiedlung durch die Uferfauna ist in den renaturierten Abschnitten diverser als im degradierten Abschnitt 5. Das Wiederbesiedlungspotenzial des Makrozoobenthos im Nierseinzugsgebiet ist gering. Die Besiedlung der renaturierten Abschnitte mit weiteren wertgebenden Taxa ist einge-schränkt. Methoden Entlang von Transekten fand die Erfassung der hydromorphologischen Metrics in den Ab-schnitten statt (ca. 1.200 Messpunkte im aquatischen Bereich). Das Makrozoobenthos wurde substratspezifisch erfasst (ca. 250 Einzelproben). Die Aufnahme von Laufkäfern und Spin¬nen erfolgte über ca. 80 Barber-Fallen, die für einen Zeitraum von zwei Wochen ausgebracht wurden. Anhand der erhobenen Daten wurden mittels verschiedener statistischer Verfahren (einfakto-rielle Varianzanalysen, Mann-Whitney-U-Test) Unterschiede in den hydromorphologischen Parametern sowie davon abhängig in der Besiedlung herausgearbeitet und hinsichtlich ihrer Signifikanz überprüft. Dazu wurden beim Makrozoobenthos Taxa und ihre Häufigkeiten sowie zahlreiche Metrics betrachtet, bei Laufkäfern und Spinnen wurden ausschließlich aus-gewählte Metrics analysiert. Zur Identifikation von Veränderungen durch die Maßnahmen wurden die Daten in Bezug auf die Einflussfaktoren Renaturierung „jung“, Renaturierung „alt“ und Sukzession differenziert. Die Auswertungen dienten der Analyse der ökologischen Wirksamkeit der Renaturierungen, der Identifizierung von Kandidatenmetrics als potenzielle Indikatoren, die diese Wirkungen anzeigen und der Ableitung von Hinweisen für die Optimierung der Maßnahmenumsetzung. Durch die Berücksichtigung der Besiedlung des Makrozoobenthos zwischen zwei Jahren konnte die natürliche Variabilität der Besiedlung erfasst und von den Wirkungen der Renatu-rierungen differenziert werden. Ein Blick auf die Bestandssituation des Makrozoobenthos im gesamten Nierseinzugsgebiet auf Grundlage vorhandener Daten diente der Analyse des vorhandenen Wiederbesiedlungs- und Artenpotenzials. Unter Berücksichtigung von Ausbreitungshemmnissen sollten Hinweise auf die weitere Wiederbesiedlung der umgestalteten Abschnitte im Hinblick auf die Zielerrei-chung nach EU-WRRL sowie auf mögliche Artendefizite im Einzugsgebiet abgeleitet werden. Ergebnisse Hydromorphologie im Vergleich renaturiert-degradiert Die hydromorphologischen Merkmale der Makro-, Meso- und Mikro-Ebene wurden zwischen den Gewässerabschnitten verglichen. Die renaturierten Ab¬schnitte zeigten dabei eine deut¬lich erhöhte makro- und mesoskalige Struktur- und Habitat¬vielfalt. Die Uferlänge steigt um das 1,3 bis 1,5fache an, die Breite der amphibischen Zonen um den Faktor 3,3 bis 3,8. Die Anzahlen der Sohl-, Ufer- und Auenstrukturen sind um ein Vielfaches angestiegen und die Breite der Gewässerrandstreifen um das 1,9 bis 3,6 fache. Auf der Mikroebene waren die Unterschiede deutlich geringer. Diversität-Indices (Shannon-Wiener-Index und Spatial-Diversity-Index) für die Substratverteilung reagierten (noch) nicht. Allerdings wies die junge Renaturierung eine verringerte Wassertiefe, die ältere Renaturie¬rung eine verringerte Fließ-geschwindigkeit auf. Positiv zu bewerten sind die Anstiege der Anteile organischer (Makro-phyten, Detritus, Totholz) und hochwertiger Substrate (Kies, Grobkies) sowie eine höhere aquatische Habitatvielfalt. Mehrere der signifikant reagierenden Metrics eignen sich als potenzielle Indikatoren, die auch frühzeitige Wirkungen der Renaturierungen auf die Hydromorphologie anzeigen. Diese Metrics sind auf der Makroebene: Windungsgrad, Uferlänge, Einschnittstiefe, Bordvolle Breite; auf der Mesoebene: Breite der amphibischen Zone, Anzahl der Sohl-, Ufer-, Auenstrukturen, Breite von Ersatzaue und Gewässerrandstreifen, Wasserspiegel Breite (bei MNW) und auf der Mikroebene: Anteile organischer Substrate (%-Anteil CPOM, %-Anteil Totholz, %-Anteil Makrophyten), Anteile hochwertiger Substrate (%-Anteil Akal, %-Anteil Mikrolithal), mittlere Fließgeschwindigkeit und aquatische Habitatvielfalt. Die Hypothese „Hydromorphologische Parameter sind in den renaturierten Abschnitten auf allen Skalen diverser als im degradierten Abschnitt“ wird durch die Ergebnisse gestützt. Makrozoobenthosbiozönosen im Vergleich renaturiert-degradiert Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die Renaturierungsmaßnahmen zu ersten positi¬ven Veränderungen der Makrozoobenthosbiozönosen geführt haben. Diese Veränderungen drücken sich in erster Linie in der Reaktion verschiedener Metrics aus, weniger dagegen in der Reaktion einzelner Taxa oder der ökologischen Zustandsbewertung. Hohe Ähnlichkeiten in der Zusammensetzung deuten auf eine Angleichung an die degradierten Verhältnisse oberhalb hin und damit auf Einflüsse von oberhalb liegenden Belastungen. Es konnten mehrere Metrics ermittelt werden, die sich als potenzielle Indikatoren eignen, die sich in Folge von Renaturierun¬gen verändern und deren Wirkungen widerspiegeln. Sie wur-den aus den Ergebnissen der Untersuchungen aller Substrate sowie nur der gemeinsamen Substrate abgeleitet. Metrics, die sich infolge der Renaturierung verändern: Trichoptera Taxazahl Dt. Faunaindex 15/17 (HK) Trichoptera % % Phytal Trichoptera (Abund.) Rheoindex (HK) EPTCBO Dt. Saprobienindex neu Dt. Faunaindex 15/17 Abundanz Metrics, die sich infolge der Renaturierung und z.T. auch zeitlichen Entwicklung verän¬dern: EPT % (HK) Anzahl Familien EPT Taxazahl Anzahl Gattungen EPT/Diptera BMWP % Metapotamal % Akal Auch die Metrics Taxazahl und Anzahl typischer (positiver) Fließgewässertaxa zeigen durch Zunahme positive Reaktionen in den Renaturierungen. Von den untersuchten Taxa zeigen Psychomyia pusilla, Heptagenia sulphurea, Baetis vernus, Hydroptila sp. und Ischnura elegans positive Reaktionen auf die Renaturierungen. Die für die Einflussfaktoren ermittelten potenziellen Indikatormetrics können zur Beurteilung der ökologischen Wirksamkeit und zur Dokumentation des Maßnahmenerfolgs herangezo¬gen werden. Eine Wiederholung der durchgeführten Untersuchungen könnte weitere Er¬kenntnisse zur Metriceignung und Lang-zeitreaktionen liefern. Die Hypothese „Die Besiedlung des Makrozoobenthos weist Unterschiede zwischen den re-naturierten und dem degradierten Abschnitt auf - die renaturierten Abschnitte zeigen An-zeichen für eine verbesserte, typspezifischere Besiedlung“ wird durch die Ergebnisse unter-stützt. Substratspezifische Makrozoobenthosbiozönosen Ziel der Untersuchungen war die Ermittlung möglicher substratspezifischer Veränderungen der Besiedlung des Makro¬zoobenthos zwischen degradierten und renaturierten Abschnitten. Es wurde festgestellt, dass die Substrate Grobkies und Kies, Totholz und Makrophyten die höchsten Taxazahlen aufweisen und Totholz eine recht eigenständige Besiedlung besitzt. Diese Substrate sind besonders bedeutsam für die Besiedlung und sollten im Zuge von Maßnahmen zur Renaturierung gezielt wiederhergestellt werden. Auf Basis einzelner Substrate zeigen sich positive Veränderungen des Makrozoobenthos in erster Linie in den Substraten Kies und Sand. Damit deutet sich an, dass die ermittelten Ver-besserungen von Metricausprägungen in den Substraten der renaturierten Abschnitte auf die Besiedlung der zusätzlichen angrenzenden, hochwertigen Substrate zurückgehen könnten. Die deutlichsten Wirkungen zeigen sich im Substrat Kies, in dem alle Einflussfaktoren meh-rere positive Metricreaktionen zeigen. Nachfolgend werden die wesentlichen Kandidaten-metrics vorgeschlagen, die bei weiteren Untersuchungen von Renaturierungen im Hinblick auf ihre Eignung als mögliche Indiaktoren zu testen wären. Metrics, die sich infolge der Renaturierung verändern: Trichoptera Taxazahl EPT Taxazahl Trichoptera % EPTCBO % Phytal Ephemeroptera Taxazahl % Psammal Dt. Saprobienindex neu % Rheo-limnophil Dt. Saprobienindex neu Ind.Taxa BMWP Taxazahl Dt. Faunaindex Typ 11/12 (HK, und Ind.Taxa) Dt. Faunaindex Typ 15/17 (HK) Abundanz Zur Erfassung von Verbesserungen der aquatischen Besiedlung eignet sich der Vergleich von jeweils gleichen Substrattypen zwischen renaturierten und degradierten Abschnitten. Da vor allem im Tiefland in den degradierten Gewässerstrecken organische und weitere hoch¬werti¬ge Substrate (v.a. Totholz, Kies, Grobdetritus, Grobkies) weitgehend fehlen, jedoch in der Regel besonders gut besiedelt sind, ist eine Erfassung der Besiedlung dieser Substrate be¬deutsam, um die zusätzlichen Taxa sowie ggf. weitere positive Metricausprägungen erfas¬sen zu können. Die Hypothese „Die Besiedlung des Makrozoobenthos in vergleichbaren Habitaten ist diver-ser in den renaturierten Abschnitten“ wird durch die Ergebnisse teilweise unterstützt. Uferfaunabiozönosen im Vergleich renaturiert - degradiert Anhand von zahlreichen Metrics konnten überwiegend positive Veränderungen in der Zu-sammensetzung der Biozönosen der Laufkäfer und Spinnen festgestellt werden. Die Metrics hygrobionte/hygrophile Arten (Anzahl und Anteil) und Arten feucht-nasser Bioto¬pe (Anzahl und Anteil) spiegeln die deutlich verbesserte Überflutungshäufigkeit und -dauer sowie die Entwicklung feuchtegeprägter Lebensräume wider. Das Auftreten bzw. die Zunahme ripicoler Arten indiziert die naturnahe Ausprägung der Uferlebensräume. Signifi¬kante Verbesserungen wurden auch bei den Artenzahlen, dem Shannon-Wiener Index (nur Laufkäfer) und den stenotopen Arten festgestellt, die eine größere Habitatvielfalt der ufer- und auentypischen Lebensräume anzeigen. Laufkäfer weisen insgesamt stärkere Reaktionen durch die Renaturierungen auf, so dass auch mehrere Indi¬katoren ermittelt werden konnten, die nachfolgend aufgeführt werden. Indikatormetrics, die sich durch die Renaturierung und z.T. auch zeitliche Entwicklung verän-dern: Laufkäfer Spinnen Artenzahl Anzahl / Anteil Arten feucht-nasser Biotope Shannon-Wiener Index Anteil Arten der Äcker und Ruderalfluren Individuenzahl Anteil eurytope Arten Anzahl / Anteil Arten feucht-nasser Biotope Anzahl hygrobionter, -philer Arten Anzahl / Anteil Arten der veg.armen Ufer (ripicole Arten) Anteil xerobionter, -philer Arten Anzahl / Anteil Arten der Äcker und Ruderalfluren Anzahl / Anteil hygrobionter, -philer Arten Anzahl / Anteil stenotope Arten Anteil eurytoper Arten Anzahl makroptere Arten Anzahl / Anteil Frühjahrsbrüter Anzahl / Anteil Rote Liste Arten Die Metrics können zur Dokumentation des Maßnahmenerfolgs und für die Beurteilung der ökologischen Maßnahmenwirksamkeit in den Land-Wasser-Übergangsbereichen sowie Ge-wässerauen herangezogen werden. Es hat sich gezeigt, dass neben den ripicolen Arten im Tiefland auch die paludicolen Arten analysiert werden sollten, um Verbesserungen der Habi-tatvielfalt sowie der Überflutungs- und Auendynamik nachweisen zu können. Eine erneute Erfassung der Uferfauna in den hier betrachteten Abschnitten (ab 2013) könnte weitere Erkenntnisse zur Metriceignung und zeitlichen Weiterentwicklung der Biozönosen von Laufkäfern und Spinnen liefern. Die Integration von Uferarthropoden in Monitoringpro¬gramme und Erfolgskontrollen ist sinnvoll zur Detektion kurzfristiger Effekte im Bereich der amphibischen und terrestrischen Lebensräume der Ufer und Auen und zur Feststellung von hydrologischen Effekten. Die Hypothese „Die Besiedlung durch die Uferfauna ist in den renaturierten Abschnitten di-verser als im degradierten Abschnitt“ wird durch die Ergebnisse unterstützt. Arten- und Besiedlungspotenziale im Einzugsgebiet am Beispiel des Makrozoobenthos Im Gegensatz zur Feststellung von Wiederbesiedlungspotenzialen, die Messstellen mit einer „guten“ Besiedlung in Bezug auf die allgemeine Degradation bzw. einer großen Anzahl von Gütezeigern des Deutschen Faunaindex umfassen, werden unter Artenpotenzia¬len Einzel-vorkommen von wertgebenden Taxa verstanden. Artenpotenziale umfassen die bewertungs-relevanten Gütezeiger nach dem Deutschen Faunaindex sowie EPT-Taxa. Wiederbesied-lungspotenziale kommen im Nierseinzugsgebiet nur verein¬zelt vor. Artenpotenziale dagegen bestehen im Einzugsgebiet in Form von weiteren 17 Gütezeigern und 40 EPT-Taxa, von denen mehrere grundsätzlich auch in den untersuchten Abschnitten zu erwarten sind. Von einer Ausbreitung dieser Taxa bzw. Artenpotenziale ist erst dann auszugehen, wenn weitere Verbesserungen der Gewässer im Einzugsgebiet hin¬sichtlich der Habitatausstattung, aber auch der stofflichen Qualität erreicht werden. Die Analyse der Belastungsfaktoren hat gezeigt, dass eine Besiedlung der untersuchten Ab-schnitte mit weiteren wertgebenden Arten aus dem Oberlauf derzeit unwahrscheinlich ist und eher aus dem Unter- und Mittellauf mit seinen Zu¬flüssen Issumer Fleuth, Kervenheimer Mühlenfleuth, Kroonbeek/Kendel und Steinberger Ley erfolgen kann. Daher sind diese Be-reiche auch für die Umsetzung hydromorphologischer Maßnahmen als prioritär zu betrach-ten. Als wichtige Arbeitsschritte für die Abschätzung des Besiedlungspotenzials renaturierter Abschnitte sowie der Zielerreichung werden angesehen: 1. Einzugsgebiets-Analyse der Vorkommen wertgebender Arten – sowohl Gütezeiger des Deutschen Faunaindex als auch EPT-Taxa als bewertungsrelevante Arten 2. Defizitanalyse in Bezug auf Ausbreitungshindernisse, die einer möglichen Wiederbesied-lung der zu betrachtenden renaturierten Abschnitte durch diese Arten entgegenstehen 3. Abschätzung der möglichen langfristigen Besiedlung der untersuchten Abschnit¬te 4. Ermittlung der erreichbaren ökologischen Zustandsklasse Darüber hinaus geben die so gewonnenen Erkenntnisse wertvolle Hinweise für die Lokalisa-tion weiterer hydromorphologischer Maßnahmen. Die Hypothese „Das Wiederbesiedlungspotenzial des Makrozoobenthos im Nierseinzugsge-biet ist gering. Die Besiedlung der renaturierten Abschnitte mit weiteren wertgebenden Taxa ist eingeschränkt“ wird durch die Ergebnisse unterstützt. Schlussfolgerungen Die Renaturierungsmaßnahmen an der Niers waren hydromorphologisch und biologisch wirksam. Neben einer erhöhten Struktur- und Habitatvielfalt in Gewässer und Aue und der hydrologischen und ökologischen Anbindung der Aue konnten zahlreiche positive Verände-rungen beim Makrozoobenthos, bei den Laufkäfern und Spinnen festgestellt werden, die den vorab definierten, erwarteten Reaktionen entsprechen. Damit zeigten sich biologische Wir-kungen sowohl im aquatischen als auch im terrestrischen Bereich. Die bauliche Herstellung einer ge¬schwungenen Linienführung im Zuge von Neutrassierungen sowie die Anlage von Ersatz¬auen ist damit eine ökologisch wirksame Maßnahme und v.a. in entwicklungsträgen Gewäs¬sern eine Alternative zur zeitintensiven eigendynamischen Entwicklung. Die Ergebnisse beim Makrozoobenthos sind bemerkenswert vor dem Hintergrund bisheriger Erkenntnisse. Notwendig waren dazu jedoch detailliertere Aufnahmen und Auswertungen als bei der gängigen Bewertung des ökologischen Zustands nach PERLODES. Positive Reakti-onen waren beim Makrozoobenthos sowohl auf Ebene der Abschnitte als auch auf Ebene der Substrate festzustellen. Die Kandidatenmetrics als potenzielle Indika¬toren für die Einflussfaktoren Renaturierung „alt“, Renaturierung „jung“ und Sukzession sind hinsichtlich ihrer Eignung an weiteren umge¬setzten Renaturierungen zu testen und könnten für die Entwicklung ei¬nes Verfahrens zur Durchführung von Erfolgskontrollen herangezogen werden. Dabei sollten terrestrische Gruppen (z.B. Laufkäfer, Spinnen) Berücksichtigung finden, da sie die Maßnahmenwirksam-keit in Bezug auf die Auenanbindung und damit die Funktionsfähigkeit des Gewässer-Aue-Systems anzeigen. Dieser Aspekt wird bei den derzeitigen Bewertungs¬verfahren nach EU-WRRL nicht ausreichend berücksichtigt. Wesentlich für weitere Optimierungen der umgesetzten und geplanten Maßnahmen ist die Ermittlung von verbleibenden Defiziten anhand der hydromorphologischen und biologischen Indikatoren, die noch nicht typspezifisch oder gar nicht reagieren. Die Herstellung des Zu-sammenhangs zwischen der Art der Renaturierungsmaßnahmen und der erzielten positiven wie negativen Wirkungen ist dabei bedeutsam. Nur so können künftige Maßnahmen effekti-ver gestaltet werden. Die hier gewählte Vorgehensweise ermöglicht die Ableitung von Hin-weisen zur Optimierung künftiger Renaturierungen. Vor allem auf der Ebene der aquati¬schen Habitate sind noch weitreichendere Veränderungen nötig und möglich. Sie zeigen aber auch, dass es richtig ist, lokale Maßnahmen umzusetzen, die die Habitatverhältnisse für die biolo-gischen Qualitätskomponenten so verbessern, dass sie die Erreichung des Bewirt-schaftungsziels unterstützen und somit einen „Schritt in die richtige Richtung“ darstellen (UBA 2008). Anhand der hier ermittelten Indikatoren sind kurz- bis mittelfristige Wirkungen ablesbar. Für weitergehende Aussagen zu langfristigen Wirkungen wären Wiederholungsuntersuchungen der Niersabschnitte nötig, die dann einen Zeitraum bis zu 13 Jahre (ab 2013) nach Um-setzung der Maßnahmen umfassen würden. Damit wäre die Reifephase des älteren renatu-rierten Abschnitts erreicht und es könnte geklärt werden, ob weitere Gütezeiger in den Ab-schnitt eingewandert sind, ob sich die Besiedlung weiter verbessert hat, oder ob eine Anglei-chung an die degradierten Verhältnisse der oberhalb liegenden Abschnitte stattgefunden hat. Einzugsgebietsanalysen der Besiedlung sind sinnvoll, um die Zielerreichung abschätzen und Schwerpunkte für die Maßnahmenumset¬zung ermitteln zu können. Dabei sind die vorhande-nen Belastungen in ihrer Qualität und Ausdehnung und die möglichen Ausbreitungswege wertgebender Arten zu berücksichtigen. Im Nierssystem zeigt der Unterlauf mit seinen Zu-flüssen günstigere Bedingungen für die (Wieder-)Besiedlung an als der Mittel- und Oberlauf.

Setting In the course of planning measures on watercourses, actions to improve the hydro-morphology of rivers - restoration measures - have become necessary and have already been performed in recent years. Most of all these measures combat the extensive loss of hydromorphological features of rivers - a result of draining measures fostering an improved agricultural use of floodplain areas and a faster removal of water. This situation is reflected in the results of the survey and the monitoring according to the EU water framework directive (EU WFD). In order to use the funds for restoration measures efficiently and to perform the ecologically most suitable measures for the respective types of water bodies it is essential to gain insight into their effects on the habitat diversity and the biocoenosis of different watercourses. The impact of a modified restored watercourse on the river current, on its substrate conditions and thus on the settlement of benthic invertebrates has not been sufficiently explored up to now. This also applies to the effects of such measures on the characteristics and dynamics of the riparian habitats as well as the floodplains and thus on the colonization of these areas by carabids and spiders. Objectives To improve the scientific evidence on this question the thesis compares two restored river sections of the Niers, an organically shaped river on the left bank of the Lower Rhine area, with a degraded one. The focus was put on the hydromorphological features of water courses and wetlands as well as on the composition of macrozoobenthos groups, ground beetles and spiders. The measures carried out in the years 2000 and 2006, covered relocations and expansions of the river, the establishment of a substituted flood plain with damp hollows and standing water bodies and the emplacement of deadwood. The thesis aims at identifying and evaluating the nature and extent of biological and hydro-morphological changes between the developed and the restored sections on a temporal and spatial scale. By showing the nature and extent of differences in habitat conditions and settlement statements could be made how effective taken measures were. Metrics have been determined that best describe the changes that have occurred and which are useful as potential indicators of restoration measures. This information leads to a minimum scope of investigation methods necessary to monitor success. Another result is the finding of indications serving to optimize restoration measures. Thus this thesis contributes to the understanding of the impact of restoration measures to optimize their future planning and implementation. Research hypotheses 1. Hydro-morphological parameters are on all scales more diverse in the restored river section than in the degraded one 2. The settlement of benthic invertebrates indicates differences between the restored and the degraded sections - the restored sections indicate signs of an improved and more type-specific settlement 3. The settlement of benthic invertebrates in similar habitats is more diverse in the restored sections than in the degraded one 4. The settlement by the riparian fauna is more diverse in the restored sections than in the degraded one 5. The re-population potential of macrozoobenthos in the Niers basin is low. The settlement of the restored sections with further value-adding taxa is limited Methods The hydro-morphological metrics were collected along transects of the examined sections (about 1,200 data points in the aquatic area). Whereas the benthic invertebrates were registered substrate specifically (about 250 samples) ground beetles and spiders were gathered in about 80 Barber traps deployed for a period of two weeks. Based on the collected data, differences in the hydro-morphological parameters and the dependent population have been worked out by using various statistical methods (single-factor analysis of variance, Mann-Whitney U test) and alongside their significance has been verified. Moreover the macroinvertebrate taxa and their frequencies as well as numerous metrics have been considered. As far as ground beetles and spiders are concerned they have only been analyzed by exclusively-selected metrics. The collected data was differentiated in relation to the influencing factors restoration "young", restoration "old" and succession to identify changes caused by the restoration measures. The evaluations have been used to analyze the ecological effectiveness of restoration projects, the identification of candidate metrics as potential indicators for these effects and to get directions for optimizing the implementation of measures. By considering the settlement of benthic invertebrates between two different years, the natural variability of the population could be captured and distinguished from the effects of restoration projects. Looking at the population of macroinvertebrates of the whole Niers basin based on available data has made it possible to analyze a potential re-settlement and potential species in general. Taking into account possible barriers which can hinder the species’ expansion it is supposed to take a look into the future of a re-population of the restored sections according to the requirements of the EU WFD and to assess a shortcoming of species in the area. Results Hydro-morphology: restored sections compared to degraded one The hydro-morphological characteristics of the macro-, meso- and micro-levels have been compared between the river sections in question. In this respect the restored sections have shown a significant increase of the macro-and meso-scale structure and the habitat diversity. The banks length has increased 1.3 to 1.5 times and the width of the amphibious zones shows an increasing factor of 3.3 to 3.8. The numbers of sole, bank and flood plain structures are many times higher than before and the width of the buffer strips has increased 1.9 to 3.6 -fold. At the micro level, the differences were much smaller. Diversity indices for substrate distribution (Shannon-Wiener index and spatial diversity index) have not responded (yet). However, the young restoration shows a reduced water depth whereas the older one displays a reduced flow rate. Another positive effect is the increasing proportion of organic (macrophytes, detritus, deadwood) and high quality substrates (gravel, coarse gravel) as well as an exceeding aquatic habitat diversity. Several of the significantly responsive metrics can be used as potential indicators which show early effects of restoration projects on the hydro-morphology. These metrics are at the macro level: degree of river bend, length of river bank, depth of cut, full width. At the meso level: width of the amphibious zone, numbers of sole, bank and flood plain structures, width of substituted flood plains and riparian zones, water table width (at MLW) and at the micro level: proportion of organic substrates (% of total CPOM, % proportion of deadwood, % of total macrophytes), fractions of high-quality substrates (% proportion of Akal, % proportion of Mikrolithal), mean flow velocity and aquatic habitat diversity. The results support the hypothesis that hydro-morphological parameters are on all scales more diverse in the restored river section than in the degraded one. Macroinvertebrate biocoenoses compared: restored versus degraded sections The various examinations made have shown that the restoration measures have led to first positive changes in macroinvertebrate biocoenosis. These changes are primarily expressed in the reaction of different metrics, and less in the response of individual taxa or the evaluation of the ecological status quo. High similarities in the composition suggest an adaption to the degraded conditions upstream and thus indicate influences of upstream loads. The following metrics have been identified as useful potential indicators that change as a result of restoration measures and reflect their effects. They were derived from the results of the examinations of all substrates, and the common substrates. Metrics that change due to restoration: Trichoptera number of Taxa German fauna index 15/17 (HK) Trichoptera % % Phytal Trichoptera (Abund.) Rheoindex (HK) EPTCBO German saprobic index new German fauna index 15/17 Abundance Metrics that change due to restoration and partly due to temporal development: EPT % (HK) Number of families EPT number of Taxa Number of species EPT/Diptera BMWP % Metapotamal % Akal Also, the metrics number of taxa and the number of typical (positive) taxa for watercourses indicate positive reactions to the restoration shown by an increasing population. Psychomyia pusilla, Heptagenia sulphurea, Baetis vernus, Hydroptila sp. and Ischnura elegans are the taxa which react in a positive way to the restoration projects. The factors identified for potential indicator metrics can be used to assess the ecological effectiveness and to document the success of measures. A follow-up of the studies could provide further insights into the metric suitability and long-term reactions. The results support the hypothesis: The settlement of benthic invertebrates indicates differences between the restored and the degraded sections - the restored sections indicate signs of an improved and more type-specific settlement. Specific substrate macroinvertebrate biocoenoses The study aimed at identifying possible substrate-specific changes of the settlement of benthic invertebrates between degraded and restored sections. It was found out that the coarse gravel and gravel substrates, deadwood and macrophytes show the highest numbers of taxa and deadwood even displays a rather independent colonization. These substrates are particularly important for colonization and should be systematically restored in the course of restoration measures. On the basis of individual substrates, positive changes in the benthic invertebrates show primarily in the gravel and sand substrates. This fact suggests that the identified improvements of metric characteristics displayed in the substrates of the restored sections could go back to the colonization of the additional adjacent high quality substrates. The most pronounced effects appear in the gravel substrate in which all factors show several positive reactions of the metrics. In the following the essential candidate metrics are proposed that would have to be tested in further studies of restoration projects in terms of their suitability as possible indicators. Metrics that change due to restoration measures: Trichoptera number of taxa EPT number of taxa Trichoptera % EPTCBO % Phytal Ephemeroptera number of taxa % Psammal German saprobic index new % Rheo-limnophil German saprobic index new ind.taxa BMWP Number of taxa German fauna index type 11/12 (HK, und ind.taxa) German fauna index Typ 15/17 (HK) Abundance To capture improvements in aquatic populations, it is reasonable to compare the same types of substrates in restored sections to degraded ones. Organic and other high-quality substrates (especially deadwood, gravel, coarse detritus, coarse gravel) are largely lacking in the degraded river segments of the lowland. As these substrates are usually well populated it is necessary to record the population in the degraded sections in order to find out additional taxa and - where applicable - further positive metric characteristics. The results partly support the hypothesis: The settlement of benthic invertebrates in similar habitats is more diverse in the restored sections than in the degraded one. Biocoenosis of riparian fauna compared: restored versus degraded Using numerous metrics mainly positive changes in the composition of biological communities of ground beetles and spiders were found out. The metrics hygrobiont / hygrophilic species (number and proportion) and species of humid to wet habitats (number and proportion) reflect the significant improvement in flooding frequency and duration, as well as the development of wet habitats. The appearance and the increased number of ripicol species indicate the nature-orientated characteristics of the riverine habitats. Significant improvements have also been noted in the number of species, the Shannon-Wiener index (only ground beetles) and the stenotopic species demonstrating a greater diversity of river bank and flood plain habitats. On the whole beetles react stronger to the re-naturalization, making it possible to identify several indicators which are listed below. Indicator metrics which have changed due to restoration and partly due to temporal development: Ground beetles Spiders Number of species Number/proportion of species of humid to wet habitats Shannon-Wiener Index Proportion of species of fields und ruderal areas Number of individuals Proportion of eurytopic species Number/proportion of species of humid to wet habitats Number of hygrobiotic, -philic species Number/proportion of species of areas of view vegetation (ripicol species) Proportion of xerobiontic, -philic species Number/proportion of species of fields und ruderal areas Number/proportion of hygrobiotic, -philic species Number/proportion of stenotopic species Proportion of eurytopic species Number of macropterous species Number/proportion of carabids breeding in spring Number/proportion of Red Data List Species The metrics can be used to document the success of restoration measures and to assess the effectiveness of environmental measures in land-water transition areas and floodplains. It must be said that in addition to ripicol species in the lowlands paludicol species should also be analyzed to demonstrate improvements of the habitat diversity and the dynamics of flooding and floodplains. A re-recording of the bank fauna in the sections considered here (as of 2013) could provide further insights into the suitability of metrics and the temporal evolution of biocoenoses of ground beetles and spiders. The integration of river bank arthropodes in monitoring programmes and performances is useful for detecting short-term effects in the field of amphibious and terrestrial habitats of the banks and floodplains and to locate hydrological effects. The results support the hypothesis: The settlement by the riparian fauna is more diverse in the restored sections than in the degraded one Potential of species and colonization in the drainage basin using the example of benthic invertebrates In contrast to determine a re-population potential comprising the measuring points with a "good" settlement in relation to the general degradation or a large number of marks of quality of the German fauna index, a potential of species is to be understood as a single occurrence of valuable taxa. A potential of species includes the quality indicators according to the German fauna index as well as EPT taxa relevant for an evaluation. A potential of re-population is rather rare in the Niers basin. In contrast to that a potential of species can be found in terms of 17 additional quality marks and 40 EPT taxa. Several of these are to be expected in the examined sections. But a potential spread of these taxa or species is only likely if further improvements of the watercourses concerning habitat features and material quality can be achieved. The analysis of stressors has shown that a population of the examined sections with additional value-giving species from the upper reaches is currently unlikely. More can be done from the lower and middle reaches of its tributaries Issumer Fleuth, Kervenheimer Mühlenfleuth, Kroonbeek / Kendel and Steinberger Ley. Therefore, these areas are considered to be most important for the implementation of hydro-morphologic measures. The following steps must be considered as the most important steps for the estimation of a potential population of restored sections and the achievement of objectives: 1. River basin analysis of the occurrence of quality determining species - both quality indicators of the German fauna index and EPT taxa as evaluation-relevant species 2. Deficit analysis with respect to obstacles that hinder a possible re-population of the restored sections by these species 3. Assessment of any potential long-term population of the examined sections 4. Determining the achievable ecological condition class In addition, the insights gained, provide us with valuable information for the localization of other hydro-morphological measures. The results support the hypothesis: The re-population potential of macrozoobenthos in the Niers basin is low. The settlement of the restored sections with further value-adding taxa is limited. Conclusions The restoration activities on the Niers have been hydro-morphologically and biologically effective. In addition to an increased structure and habitat diversity in waters and wetlands as well as the hydrological and ecological connection of the floodplain numerous positive changes in benthic invertebrates and in the ground beetles and spiders have been found out. The results correspond to the pre-defined and expected reactions. Thus, biological effects could be shown in the aquatic as well as in the terrestrial area. The constitution of a curved line in the course of new aligning and the creation of substituted flood plains are therefore an ecologically effective measure and an alternative to time-consuming natural developments. The results of the benthic invertebrates are remarkable in the light of previous findings. However, more detailed recordings and evaluations have been necessary than the current rating of the ecological status according to PERLODES suggests. Positive reactions in benthic invertebrates have been observed both at the section level and at the level of the substrates. The prospect metrics as potential indicators of the factors influencing restoration "old", restoration "young" and succession are to be tested on other implemented restoration projects in terms of their suitability. They could be used for developing a method for conducting monitoring of performances. These methods should include a recording of terrestrial groups (e.g. beetles, spiders) since they show the effectiveness of measures relating to the connection of flood plains and the functioning of the aquatic flood plain system. This aspect is not sufficiently considered in the current assessment procedures in line with the EU WFD. Essential for further optimization of the implemented and planned measures is the determination of remaining deficits based on the hydro-morphological and biological indicators, which do not react type-specific or even not at all. Thereby it is necessary to establish a relationship between the type of restoration measures and the achieved positive and negative effects. This is how future actions can be implemented more effectively. The approach chosen allows the deduction of indications to optimize future restoration projects. Especially at the level of aquatic habitats even more extensive changes are necessary and possible. But they also reveal that it is appropriate to implement local actions that improve habitat conditions for the biological quality elements. Thus they support the achievements of watershed management and are a "step in the right direction" (UBA 2008). Based on the indicators identified, short to medium term effects can be made visible. For further statements about long-term effects ongoing research on the Niers sections is necessary, which would then cover a period up to 13 years (as of 2013) after having implemented the restoration measures. Thus, the mature phase of the older restored section would have been reached and it could be determined whether additional quality indicators have populated the section, if the settlement has continued to improve, or whether an adjustment to the degraded conditions of sections lying above has occurred. Basin analyzes of the settlement are useful to assess the achievement of objectives and to identify priorities for the implementation of restoration measures. Thereby the existing stressors have to be considered in terms of their quality and their extent as well as the possible expansion pathways of quality determining species. Concerning the Niers system it must be said that the lower reaches and its tributaries offer more favourable conditions for a re-population than the middle and upper reaches.

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Citation style:

Schattmann, Andreas: Ökologische Wirksamkeit von Renaturierungsmaßnahmen an einem Tieflandfluss. Reaktion von Hydromorphologie, Makrozoobenthos und Uferfauna. 2014.

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