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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer
Dr. Sebastian Birk
Aquatische Ökologie, UDE
Essen/Deutschland
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• Multiple Belastungen im Europäischen Kontext • Bewirtschaftungs-relevante Fragestellungen • MARS-Projekt: Multi-Stressor–Wirkungs–Beziehungen in Europa
• MARS-Projekt: Fallstudien von 2-Stressor–Wirkungs–Beziehungen
• Zusammenfassung und Empfehlungen
Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Inhalt
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Folientitel
Anteil von Wasserkörpern mit keiner, ein, zwei oder mehr signifikanten Belastungen (Quelle: WISE Berichterstattung zum 2. WRRL-Zyklus)
Kategorien: Punktquellen, Diffuse Quellen, Hydrologie, Morphologie, Durchgängigkeit, Andere Belastungen
58% Multiple Belastung
Stillgewässer = 39% Fließgewässer = 62% Übergangsgewässer = 67% Küstengewässer = 52%
WISE W
FD Reporting 2016 - Preliminary results – 25 M
ember States – August 2017
Stillgewässer
Fließgewässer
Übergangsgewässer
Küstengewässer
Anzahl signifikanter Belastungen
Ante
il vo
n W
asse
rkör
pern
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Anzahl signifikanter Belastungen
Ante
il vo
n W
asse
rkör
pern
Wirkung auf den ökologischen Zustand
(Multiple) Belastung–Wirkungs–Beziehung
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Von Belastungen zu Stressoren
Treibende Kräfte
Stressoren beeinflussen die Lebensumstände Beispiele: • Nährstoffkonzentration • Sauerstoffzehrung • Restwasser
Ökologischer Zustand
Ökologischer Zustand
Belastungen Beispiele: Punktquellen, Diffuse Quellen
Belastung
Belastung
Bela
stun
g
Belastung
STRESS
STRE
SS
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Bewirtschaftungs-relevante Fragestellungen
1. Welche Stressoren sind relevant für das Nicht-Erreichen des guten ökologischen Zustands?
1. Wie wirken diese Stressoren zusammen?
Additiv (1 + 1 = 2) • Wirkung entspricht der Summe der Einzelstressor-Wirkungen
Interaktiv „Ökologische Überraschungen“ Synergistisch (1 + 1 = 3) (z.B. Nährstoffe & Temperatur) • Wirkung größer als Summe der Einzelstressor-Wirkungen
Antagonistisch (1 + 1 = 1) (z.B. Nährstoffe & Schwall) • Wirkung kleiner als Summe der Einzelstressor-Wirkungen
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Prinzip der Stressor-Interaktion
Biologische Reaktion (EQR)
1
0
-1 A B A*B
Effe
ktgr
öße
Koeffizient
addi
tiv
Interaktion von Stressor A & B
anta
goni
stis
ch
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
20 Europäische Forschungseinrichtungen und vier Wasserverwaltungen
Laufzeit: Februar 2014 – Januar 2018
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Multiple Stressoren (Modellierungen, Fernerkundung)
WISE W
FD Reporting 2016 - Preliminary results – 25 M
ember States – August 2017
Ökologischer Zustand (n = 52,355 FECs)
MO
DELL
Nährstoffe
Hydrologie
Landnutzung in der Aue
Prioritäre Stoffe
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Modellierung: Gesamteuropäische Übersicht
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Flüsse des Tieflands n = 7,331 Erklärte Varianz: 64 %
Beispiel
Modellierung: Gesamteuropäische Übersicht
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n = 4,199 Proben
n = 1,729 Proben
n = 1,467 Proben Expe
rimen
te
n=9
Flus
sgeb
iete
n=
15
Euro
pa-w
eit
n=9
Empirische Fallstudien: 2-Stressor–Wirkungs–Beziehungen
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Empirische Fallstudien: 2-Stressor–Wirkungs–Beziehungen
f(x) = ax1 + bx2 + cx1x2
Stressor 1 Stressor 2
Biologische Reaktion
Interaktions-Term
Signifikanz und Stärke (=Effektgröße) von 2-Stressor-Wirkungs-Beziehungen
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Stillgewässer Fließgewässer
Biol
ogis
che
Q
ualit
äts-
ko
mpo
nent
en
Anzahl Fallstudien (n=80)
Stre
ssor
-Paa
re
Nährstoffe/Nährstoffe Hydrologie/Temperatur
Nährstoffe/Verbraunung Nährstoffe/Hydrologie
Nährstoffe/Temperatur
Anzahl Fallstudien (n=76)
Nährstoffe/Sauerstoff Hydrologie/Sauerstoff
Hydrologie/Morphologie Nährstoffe/Temperatur Hydrologie/Temperatur
Nährstoffe/Morphologie Nährstoffe/Hydrologie
Wirbellose Fische Wasserpflanzen Benthische Algen Planktische Algen
Heterotrophe
Autotrophe
Empirische Fallstudien: 2-Stressor–Wirkungs–Beziehungen
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Einzelstressor wirksam
40 %
67 %
Empirische Fallstudien: 2-Stressor–Wirkungs–Beziehungen
Signifikante Stressor-Wirkungs-Beziehungen in 156 MARS Fallstudien
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Zwei Stressoren additiv
26 %
12 %
Empirische Fallstudien: 2-Stressor–Wirkungs–Beziehungen
Signifikante Stressor-Wirkungs-Beziehungen in 156 MARS Fallstudien
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Zwei Stressoren interaktiv
34 %
21 %
Empirische: 2-Stressor–Wirkungs–Beziehungen
Signifikante Stressor-Wirkungs-Beziehungen in 156 MARS Fallstudien
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
Maßnahmenplanung im Kontext multipler Stressoren I
- 30 µg/l
- 20 %
schlechter OWK-Zustand
Einzelmaßnahme 1 • Verminderung von 30 µg/l PO4
Einzelmaßnahme 2 • Wiederherstellung von
20 % Ufervegetation
Kombinierte Maßnahme • Verminderung von 15 µg/l PO4
UND • Wiederherstellung von 10 %
Ufervegetation
Zwei Stressoren additiv
Orthophosphat [µg/l]
Bes
eitig
ung
der U
ferv
eget
atio
n [%
]
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Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
schlechter OWK-Zustand
Kombinierte Maßnahme • Verminderung von 20 µg/l PO4
UND • Wiederherstellung von 15 %
Ufervegetation
Zwei Stressoren interaktiv
Orthophosphat [µg/l]
Bes
eitig
ung
der U
ferv
eget
atio
n [%
]
Maßnahmenplanung im Kontext multipler Stressoren II
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• Auch im Kontext multipler Belastungen: Viele biologische Effekte sind durch Einzelstressoren bedingt. [40% der MARS-Fallstudien für Fließgewässer]
• Additiv wirkende Stressoren: Minderung des stärker wirkenden (oder beider) Stressoren [26% der MARS-Fallstudien für Fließgewässer]
• Interaktiv wirkende Stressoren: Fallspezifische, detailliertere Untersuchungen notwendig [34% der MARS-Fallstudien für Fließgewässer]
Zusammenfassung
Effekte multipler Stressoren auf den Zustand der Fließgewässer/ Dr. Sebastian Birk/ 22.11.2017
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Bewirtschaftung auf Grundlage integrierter Flussgebietsmodelle
• Zusammenführung der Überwachungsdaten zur Biologie, Physiko-Chemie, Hydrologie und Morphologie
Statistische Ursache-Wirkungs-Analysen
ggf. Erstellen von Bayesischen Prognose- und Diagnose-Modellen www.mars-project.eu
Empfehlungen
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MARS-Abschlusstagung
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2-Stressor-Effekte (Nährstoffe & Andere) N=105 2-Stressor–Wirkungs–Beziehungen
NÄHRSTO
FFE
Autotrophe H’trophe Autotrophe Heterotrophe
Hydro Temp Temp Hydro Hydro Morph Temp HPeak
Andere Stressoren wirken/dominieren
STILLGEWÄSSER FLIESSGEWÄSSER (n=67 Fallstudien) (n=38 Fallstudien)
Nährstoffeffekte dominant
ANDERE
Effe
ktgr
öße
(abs
olut
) Nährstoffe versus andere Stressoren