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1/2016

Klimawandel-Prognose für den Lebensraum Fluss

Die Klimaerwärmung muss deutlich unter 2 °C bleiben – auf dieses Ziel einigten sich die Staaten der UN-Klimarahmenkonvention aktuell in Paris. Die Herausforderung bei der Vorhersage von Effekten einer globalen Erwärmung: von großräumigen Ereignissen auf lokale Auswirkungen zu schließen. Ein Wissenschaftlerteam hat eine Kaskade von mathematischen Modellen entwickelt, um die Effekte von Klimawandel und Veränderungen der Landnutzung auf die kleinskaligen Prozesse im Gewässer abzuschätzen. Die Studie prognostiziert anhand eines Fallbeispiels: Schon bei 1°C globaler Erwärmung fließt weniger Wasser in unseren Flüssen; verschiedene Arten von Fischen und Wirbellosen reagieren unterschiedlich.

In ihrer Studie haben Forschergruppen der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, der Universität Duisburg-Essen und des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei in Berlin den Einfluss von Klimawandel und Landnutzungsänderung auf die Gewässerqualität und die Verfügbarkeit von Lebensraum für Fische und wirbellose aquatische Lebewesen am Beispiel des norddeutschen Tieflandflusses Treene/Schleswig-Holstein untersucht. Im Klimawandel-Szenario nehmen die Forscher eine Erhöhung der Temperatur um maximal ein Kelvin (entspricht 1°C) bis zum Jahr 2030 an. Drei unterschiedliche Szenarien sollen darstellen, in welche Richtung sich zukünftig die landwirtschaftliche Nutzung entwickeln kann: Im „food scenario“ gehen die Wissenschaftler davon aus, dass der Marktwert von Mais und Weizen weiter ansteigen wird und daher zukünftig auch mehr Fläche für deren Anbau anfällt. Dem „low corn scenario“ liegt die Hypothese zugrunde, dass Rapskultur und Weideland den Maisanbau weitgehend ersetzen. Das „best practice scenario“ beschreibt die optimale Nutzung des Bodens durch ein ausgeglichenes Verhältnis der Anbauvarianten. Anschließend berechneten die Forscher mithilfe ihrer Szenarien die Auswirkungen auf wichtige hydrologische, hydraulische und ökologische Parameter, die auch die Qualität des Lebensraums Gewässer beeinflussen: den Durchfluss – also die Menge des verfügbaren Wassers im Ökosystem – und die Wasserqualität anhand der Nitratkonzentration. Ausgehend von Veränderungen der hydraulischen Bedingungen (Fließgeschwindigkeit und Wassertiefe) und der Nährstoffkonzentrationen schätzten sie anhand von drei Fischarten und acht verschiedenen wirbellosen Tieren als Beispielarten schließlich den Einfluss auf aquatische Lebewesen ab.

Klimaszenario: Bis zu ein Viertel weniger Wasser im Gewässer verfügbar.
Die erhöhte Temperatur im Klimaszenario führt zu einem Anstieg der Evapotranspiration, also der Verdunstung durch Vegetation und von der Bodenoberfläche. Dadurch versickert weniger Wasser in Boden und Grundwasser, woraus ein geringer Durchfluss folgt. Dies tritt insbesondere deswegen auf, weil die Treene ein grundwasserdominierter Fluss ist. Der geringere Durchfluss zeigt sich besonders in den Monaten, in denen ohnehin schon weniger Wasser fließt, also im Spätsommer und im Herbst. Für den Oktober prognostiziert das Klimaszenario sogar eine Reduzierung des Durchflusses um ein Viertel. „Dies könnte in einer Phase mit einem ohnehin schon geringen Wasserstand natürlich deutliche Auswirkungen haben“, so Björn Guse, Hauptautor der Studie. Insgesamt verlängern sich in dem Klimaszenario die Perioden mit Niedrigwasserständen.
Die verschiedenen Landnutzungsszenarien verändern den Durchfluss, die Fließgeschwindigkeit oder die Wassertiefe kaum, allerdings beeinflussen sie die Nitratkonzentrationen im Gewässer: Im „food scenario“ steigt Nitrat leicht an, im „low corn scenario“ und im „best practice scenario“ kommt es sogar zu einem Abfall des Nitratgehalts um etwa 31 Prozent.

Fische und Wirbellose reagieren je nach Art unterschiedlich auf die prognostizierten Umweltveränderungen.
Die Lebensräume der drei untersuchten Fischarten werden in den Szenarien stärker durch den Klimawandel als durch Landnutzungsänderungen beeinträchtigt. Der verringerte Durchfluss und die niedrigere Fließgeschwindigkeit führen in den Berechnungen dazu, dass die Eignung des Lebensraums beispielsweise für Steinbeißer (C. taenia) und Hasel (L. leuciscus) abnimmt. Die Reaktion der acht Wirbellosen (Makroinvertebraten) ist stark spezies-spezifisch: Sie reagieren aufgrund der veränderten Nitratkonzentrationen empfindlicher auf die Landnutzungsänderungen als auf den Klimawandel.

Kaskadenmodell ermöglicht individuelle Prognosen auf allen räumlichen Ebenen.
Der Forschungsansatz, mehrere mathematische Modelle miteinander zu koppeln, um globale Prozesse auf lokale Ereignisse herunterzubrechen, steckt noch in den Kinderschuhen. Dank dieser Methode erschließen sich jedoch ganz neue Möglichkeiten, Prognosen für die einzelnen räumlichen Skalen zu berechnen. „In dieser Studie hat sich gezeigt, dass die Stärke und Richtung der Veränderung sich in den einzelnen Stufen deutlich unterscheiden kann. Die Auswirkungen haben auf den einzelnen Ebenen eine ganz unterschiedliche Relevanz“, so Christian Wolter vom IGB. Dieses Wissen ist eine wichtige Entscheidungsgrundlage, um zukünftige Managementmaßnahmen von Gewässern zu priorisieren.

Quelle:
Guse, B., Kail, J., Radinger, J., Schröder, M., Kiesel, J., Hering, D., Wolter, C. and Fohrer, N. (2015): Eco-hydrologic model cascades: Simulating land use and climate change impacts on hydrology, hydraulics and habitats for fish and macroinvertebrates. Science of the Total Environment. 533:542-556. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2015.05.078

Nadja Neumann Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB)


Bild: St. Peter im Schwarzwald
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