Carbon dioxide and methane exchange between a boreal pristine lake and the atmosphere

Lakes serve as sites for terrestrially fixed carbon to be remineralized and transferred back to the atmosphere. Their role in regional carbon cycling is especially important in the Boreal Zone, where lakes can cover up to 20% of the land area. Boreal lakes are often characterized by the presence of a brown water colour, which implies high levels of dissolved organic carbon from the surrounding terrestrial ecosystem, but the load of inorganic carbon from the catchment is largely unknown. Organic carbon is transformed to methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) in biological processes that result in lake water gas concentrations that increase above atmospheric equilibrium, thus making boreal lakes as sources of these important greenhouse gases. However, flux estimates are often based on sporadic sampling and modelling and actual flux measurements are scarce. Thus, the detailed temporal flux dynamics of greenhouse gases are still largely unknown. ----- One aim here was to reveal the natural dynamics of CH4 and CO2 concentrations and fluxes in a small boreal lake. The other aim was to test the applicability of a measuring technique for CO2 flux, i.e. the eddy covariance (EC) technique, and a computational method for estimation of primary production and community respiration, both commonly used in terrestrial research, in this lake. Continuous surface water CO2 concentration measurements, also needed in free-water applications to estimate primary production and community respiration, were used over two open water periods in a study of CO2 concentration dynamics. Traditional methods were also used to measure gas concentration and fluxes. The study lake, Valkea-Kotinen, is a small, humic, headwater lake within an old-growth forest catchment with no local anthropogenic disturbance and thus possible changes in gas dynamics reflect the natural variability in lake ecosystems. CH4 accumulated under the ice and in the hypolimnion during summer stratification. The surface water CH4 concentration was always above atmospheric equilibrium and thus the lake was a continuous source of CH4 to the atmosphere. However, the annual CH4 fluxes were small, i.e. 0.11 mol m-2 yr-1, and the timing of fluxes differed from that of other published estimates. The highest fluxes are usually measured in spring after ice melt but in Lake Valkea-Kotinen CH4 was effectively oxidised in spring and highest effluxes occurred in autumn after summer stratification period. CO2 also accumulated under the ice and the hypolimnetic CO2 concentration increased steadily during stratification period. The surface water CO2 concentration was highest in spring and in autumn, whereas during the stable stratification it was sometimes under atmospheric equilibrium. It showed diel, daily and seasonal variation; the diel cycle was clearly driven by light and thus reflected the metabolism of the lacustrine ecosystem. However, the diel cycle was sometimes blurred by injection of hypolimnetic water rich in CO2 and the surface water CO2 concentration was thus controlled by stratification dynamics. The highest CO2 fluxes were measured in spring, autumn and during those hypolimnetic injections causing bursts of CO2 comparable with the spring and autumn fluxes. The annual fluxes averaged 77 (±11 SD) g C m-2 yr-1. In estimating the importance of the lake in recycling terrestrial carbon, the flux was normalized to the catchment area and this normalized flux was compared with net ecosystem production estimates of -50 to 200 g C m-2 yr-1 from unmanaged forests in corresponding temperature and precipitation regimes in the literature. Within this range the flux of Lake Valkea-Kotinen yielded from the increase in source of the surrounding forest by 20% to decrease in sink by 5%. The free water approach gave primary production and community respiration estimates of 5- and 16-fold, respectively, compared with traditional bottle incubations during a 5-day testing period in autumn. The results are in parallel with findings in the literature. Both methods adopted from the terrestrial community also proved useful in lake studies. A large percentage of the EC data was rejected, due to the unfulfilled prerequisites of the method. However, the amount of data accepted remained large compared with what would be feasible with traditional methods. Use of the EC method revealed underestimation of the widely used gas exchange model and suggests simultaneous measurements of actual turbulence at the water surface with comparison of the different gas flux methods to revise the parameterization of the gas transfer velocity used in the models.

Invasion of Egeria into the Hawkesbury-Nepean River, Australia

The Hawkesbury-Nepean River in New South Wales (NSW), Australia, is the largest river system in the Sydney metropolitan area, and it drains most of the developing areas to the west. This catchment is under increasing pressure from urban expansion and the river frequently experiences extended periods of low flows due to a combination of extensive river regulation and the Australian temperate climate. Added to this, the river and several of its tributaries receive treated sewage and stormwater from various sources. Habitats and biota within the Hawkesbury-Nepean River catchment have been altered since European settlement and many introduced species have spread throughout the terrestrial and aquatic environment (Recher et al. 1993). Submersed macrophyte assemblages within the river have undergone significant changes in their distribution and abundance due to eutrophication, habitat alteration and changes to river flows (Recher et al 1993). Anecdotal evidence and some early unpublished studies suggest that egeria (Egeria densa Planchon), introduced from South America as an aquarium plant, was present in the Hawkesbury-Nepean River prior to 1980. Sainty (1973) reported a persistent and troublesome infestation over a number of years at Wallacia in the upper Nepean River. Here, as part of a larger study on the ecology of macrophyte and invertebrate assemblages associated with anthropogenic disturbance in the Hawkesbury-Nepean River, we document the rapid spread of egeria since 1994. Significant increases in egeria biomass were also found, and we present preliminary evidence which suggest that the native ribbonweed, vallisneria (Vallisneria americana Michx.) is being displaced.

Survey report of NOAA Ship McArthur II cruises AR-04-04, AR-05-05 and AR-06-03: Habitat classification of side scan sonar imagery in support of deep-sea coral/sponge explorations at the Olympic Coast National Marine Sanctuary

Habitat mapping and characterization has been defined as a high-priority management issue for the Olympic Coast National Marine Sanctuary (OCNMS), especially for poorly known deep-sea habitats that may be sensitive to anthropogenic disturbance. As a result, a team of scientists from OCNMS, National Centers for Coastal Ocean Science (NCCOS), and other partnering institutions initiated a series of surveys to assess the distribution of deep-sea coral/sponge assemblages within the sanctuary and to look for evidence of potential anthropogenic impacts in these critical habitats. Initial results indicated that remotely delineating areas of hard bottom substrate through acoustic sensing could be a useful tool to increase the efficiency and success of subsequent ROV-based surveys of the associated deep-sea fauna. Accordingly, side scan sonar surveys were conducted in May 2004, June 2005, and April 2006 aboard the NOAA Ship McArthur II to: (1) obtain additional imagery of the seafloor for broader habitat-mapping coverage of sanctuary waters, and (2) help delineate suitable deep-sea coral/sponge habitat, in areas of both high and low commercial-fishing activities, to serve as sites for surveying-in more detail using an ROV on subsequent cruises. Several regions of the sea floor throughout the OCNMS were surveyed and mosaicked at 1-meter pixel resolution. Imagery from the side scan sonar mapping efforts was integrated with other complementary data from a towed camera sled, ROVs, sedimentary samples, and bathymetry records to describe geological and biological (where possible) aspects of habitat. Using a hierarchical deep-water marine benthic classification scheme (Greene et al. 1999), we created a preliminary map of various habitat polygon features for use in a geographical information system (GIS). This report provides a description of the mapping and groundtruthing efforts as well as results of the image classification procedure for each of the areas surveyed. (PDF contains 60 pages.)

Wind-driven desertification: process modeling, remote monitoring, and forecasting

Arid and semiarid landscapes comprise nearly a third of the Earth's total land surface. These areas are coming under increasing land use pressures. Despite their low productivity these lands are not barren. Rather, they consist of fragile ecosystems vulnerable to anthropogenic disturbance.

The purpose of this thesis is threefold: (I) to develop and test a process model of wind-driven desertification, (II) to evaluate next-generation process-relevant remote monitoring strategies for use in arid and semiarid regions, and (III) to identify elements for effective management of the world's drylands.

In developing the process model of wind-driven desertification in arid and semiarid lands, field, remote sensing, and modeling observations from a degraded Mojave Desert shrubland are used. This model focuses on aeolian removal and transport of dust, sand, and litter as the primary mechanisms of degradation: killing plants by burial and abrasion, interrupting natural processes of nutrient accumulation, and allowing the loss of soil resources by abiotic transport. This model is tested in field sampling experiments at two sites and is extended by Fourier Transform and geostatistical analysis of high-resolution imagery from one site.

Next, the use of hyperspectral remote sensing data is evaluated as a substantive input to dryland remote monitoring strategies. In particular, the efficacy of spectral mixture analysis (SMA) in discriminating vegetation and soil types and detennining vegetation cover is investigated. The results indicate that hyperspectral data may be less useful than often thought in determining vegetation parameters. Its usefulness in determining soil parameters, however, may be leveraged by developing simple multispectral classification tools that can be used to monitor desertification.

Finally, the elements required for effective monitoring and management of arid and semiarid lands are discussed. Several large-scale multi-site field experiments are proposed to clarify the role of wind as a landscape and degradation process in dry lands. The role of remote sensing in monitoring the world's drylands is discussed in terms of optimal remote sensing platform characteristics and surface phenomena which may be monitored in order to identify areas at risk of desertification. A desertification indicator is proposed that unifies consideration of environmental and human variables.

The ecology of Atlantic white cedar wetlands: a community profile

This monograph on the ecology of Atlantic white cedar wetlands is one of a series of U.S. Fish and Wildlife Service profiles of important freshwater wetland ecosystems of the United States. The purpose of the profile is to describe the extent, components, functioning, history, and treatment of these wetlands. It is intended to provide a useful reference to relevant scientific information and a synthesis of the available literature. The world range of Atlantic white cedar (Chamaecyparis thyoides) is limited to a ribbon of freshwater wetlands within 200 km of the Atlantic and Gulf coasts of the United States, extending from mid-Maine to mid-Florida and Mississippi. Often in inaccessible sites and difficult to traverse, cedar wetlands contain distinctive suites of plant species. Highly valued as commercial timber since the early days of European colonization of the continent, the cedar and its habitat are rapidly disappearing. This profile describes the Atlantic white cedar and the bogs and swamps it dominates or codominates throughout its range, discussing interrelationships with other habitats, putative origins and migration patterns, substrate biogeochemistry, associated plant and animal species (with attention to those that are rare, endangered, or threatened regionally or nationally), and impacts of both natural and anthropogenic disturbance. Research needs for each area are outlined. Chapters are devoted to the practices and problems of harvest and management, and to an examination of a large preserve recently acquired by the USFWS, the Alligator River National Wildlife Refuge in North Carolina.

A Positive trajectory for corals at Little Cayman Island

Coral reefs are damaged by natural disturbances and local and global anthropogenic stresses. As stresses intensify, so do debates about whether reefs will recover after significant damage. True headway in this debate requires documented temporal trajectories for coral assemblages subjected to various combinations of stresses; therefore, we report relevant changes in coral assemblages at Little Cayman Island. Between 1999 and 2012, spatiotemporal patterns in cover, densities of juveniles and size structure of assemblages were documented inside and outside marine protected areas using transects, quadrats and measurements of maximum diameters. Over five years, bleaching and disease caused live cover to decrease from 26% to 14%, with full recovery seven years later. Juvenile densities varied, reaching a maximum in 2010. Both patterns were consistent within and outside protected areas. In addition, dominant coral species persisted within and outside protected areas although their size frequency distributions varied temporally and spatially. The health of the coral assemblage and the similarity of responses across levels of protection suggested that negligible anthropogenic disturbance at the local scale was a key factor underlying the observed resilience.

The importance of interaction strength for food web dynamics and ecosystem functioning

Global biodiversity is eroding at an alarming rate, through a combination of anthropogenic disturbance and environmental change. Ecological communities are bewildering in their complexity. Experimental ecologists strive to understand the mechanisms that drive the stability and structure of these complex communities in a bid to inform nature conservation and management. Two fields of research have had high profile success at developing theories related to these stabilising structures and testing them through controlled experimentation. Biodiversity-ecosystem functioning (BEF) research has explored the likely consequences of biodiversity loss on the functioning of natural systems and the provision of important ecosystem services. Empirical tests of BEF theory often consist of simplified laboratory and field experiments, carried out on subsets of ecological communities. Such experiments often overlook key information relating to patterns of interactions, important relationships, and fundamental ecosystem properties. The study of multi-species predator-prey interactions has also contributed much to our understanding of how complex systems are structured, particularly through the importance of indirect effects and predator suppression of prey populations. A growing number of studies describe these complex interactions in detailed food webs, which encompass all the interactions in a community. This has led to recent calls for an integration of BEF research with the comprehensive study of food web properties and patterns, to help elucidate the mechanisms that allow complex communities to persist in nature. This thesis adopts such an approach, through experimentation at Lough Hyne marine reserve, in southwest Ireland. Complex communities were allowed to develop naturally in exclusion cages, with only the diversity of top trophic levels controlled. Species removals were carried out and the resulting changes to predator-prey interactions, ecosystem functioning, food web properties, and stability were studied in detail. The findings of these experiments contribute greatly to our understanding of the stability and structure of complex natural communities.

Natural streamflow regime alterations: Damming of the Piave river basin (Italy)

A novel approach is proposed to estimate the natural streamflow regime of a river and to assess the extent of the alterations induced by dam operation related to anthropogenic (e.g., agricultural, hydropower) water uses in engineered river basins. The method consists in the comparison between the seasonal probability density function (pdf) of observed streamflows and the purportedly natural streamflow pdf obtained by a recently proposed and validated probabilistic model. The model employs a minimum of landscape and climate parameters and unequivocally separates the effects of anthropogenic regulations from those produced by hydroclimatic fluctuations. The approach is applied to evaluate the extent of the alterations of intra-annual streamflow variability in a highly engineered alpine catchment of north-eastern Italy, the Piave river. Streamflows observed downstream of the regulation devices in the Piave catchment are found to exhibit smaller means/modes, larger coefficients of variation, and more pronounced peaks than the flows that would be observed in the absence of anthropogenic regulation, suggesting that the anthropogenic disturbance leads to remarkable reductions of river flows, with an increase of the streamflow variability and of the frequency of preferential states far from the mean. Some structural limitations of management approaches based on minimum streamflow requirements (widely used to guide water policies) as opposed to criteria based on whole distributions are also discussed. Copyright © 2010 by the American Geophysical Union.

A Holocene record of human induced and natural environmental change from Lake Forsyth (Te Wairewa), New Zealand

A 1.2 m sediment core from Lake Forsyth, Canterbury, New Zealand, records the development of the catchment/lake system over the last 7000 years, and its response to anthropogenic disturbance following European settlement c. 1840 AD. Pollen was used to reconstruct catchment vegetation history, while foraminifera, chironomids, Trichoptera, and the abundance of Pediastrum simplex colonies were used to infer past environmental conditions within the lake. The basal 30 cm of core records the transition of the Lake Forsyth Basin from a tidal embayment to a brackish coastal lake. Timing of closure of the lake mouth could not be accurately determined, but it appears that Lake Forsyth had stabilised as a slightly brackish, oligo mesotrophic shallow lake by about 500 years BP. Major deforestation occurred on Banks Peninsula between 1860 AD and 1890 AD. This deforestation is marked by the rapid decline in the main canopy trees (Prumnopitys taxifolia (matai) and Podocarpus totara/hallii (totara/mountain totara), an increase in charcoal, and the appearance of grasses. At around 1895 AD, pine appears in the record while a willow (Salix spp.) appears somewhat later. Redundancy analysis (RDA) of the pollen and aquatic species data revealed a significant relationship between regional vegetation and the abundance of aquatic taxa, with the percentage if disturbance pollen explaining most (14.8%) of the constrained variation in the aquatic species data. Principle components analysis (PCA) of aquatic species data revealed that the most significant period of rapid biological change in the lakes history corresponded to the main period of human disturbance in the catchment. Deforestation led to increased sediment and nutrient input into the lake which was accompanied by a major reduction in salinity. These changes are inferred from the appearance and proliferation of freshwater algae (Pediastrum simplex), an increase in abundance and diversity of chironomids, and the abundance of cases and remains from the larvae of the caddisfly, Oecetis unicolor. Eutrophication accompanied by increasing salinity of the lake is inferred from a significant peak and then decline of P. simplex, and a reduction in the abundance and diversity of aquatic invertebrates. The artificial opening of the lake to the Pacific Ocean, which began in the late 1800s, is the likely cause of the recent increase in salinity. An increase in salinity may have also encouraged blooms of the halotolerant and hepatotoxic cyanobacteria Nodularia spumigena.

Compositional divergence and convergence in arbuscular mycorrhizal fungal communities

In spite of the controversy that they have generated, neutral models provide ecologists with powerful tools for creating dynamic predictions about beta-diversity in ecological communities. Ecologists can achieve an understanding of the assembly rules operating in nature by noting when and how these predictions are met or not met. This is particularly valuable for those groups of organisms that are challenging to study under natural conditions (e.g., bacteria and fungi). Here, we focused on arbuscular mycorrhizal fungal (AMF) communities and performed an extensive literature search that allowed us to synthesize the information in 19 data sets with the minimal requisites for creating a null hypothesis in terms of community dissimilarity expected under neutral dynamics. In order to achieve this task, we calculated the first estimates of neutral parameters for several AMF communities from different ecosystems. Communities were shown either to be consistent with neutrality or to diverge or converge with respect to the levels of compositional dissimilarity expected under neutrality. These data support the hypothesis that divergence occurs in systems where the effect of limited dispersal is overwhelmed by anthropogenic disturbance or extreme biological and environmental heterogeneity, whereas communities converge when systems have the potential for niche divergence within a relatively homogeneous set of environmental conditions. Regarding the study cases that were consistent with neutrality, the sampling designs employed may have covered relatively homogeneous environments in which the effects of dispersal limitation overwhelmed minor differences among AMF taxa that would lead to environmental filtering. Using neutral models we showed for the first time for a soil microbial group the conditions under which different assembly processes may determine different patterns of beta-diversity. Our synthesis is an important step showing how the application of general ecological theories to a model microbial taxon has the potential to shed light on the assembly and ecological dynamics of communities.

Ecogeography of roe deer: relation with other ungulates in sympatry

Understanding the spatial distribution of organisms is a central topic in ecology. The European roe deer (Capreolus capreolus) population is in Portugal and Norway at the southwestern and northern edge of its distribution, respectively. Understanding the factors that act on these populations enlightens both local aspects concerning their conservation and wider scale aspects of the species bioclimatic envelope, which is crucial for being better able to predict the impacts of environmental change. The main aim of this thesis was to evaluate roe deer distribution in Portugal and Norway, two countries with contrasting landscapes, seasonality and with different anthropogenic pressure. The interspecific relationship with sympatric ungulates was also analysed. By using pellet group counts, we investigated habitat use of roe deer, identifying the major environmental descriptors, to understand the importance of forest structure, vegetation characteristics, landscape structure and human disturbance on their distribution. The analyses were based on presence – absence data and were carried out at two spatial scales. The results showed that habitat use of roe deer was different across countries. In Portugal, at the local scale, roe deer distribution was positively associated with high density of shrubs, especially heather and brambles, while the presence of red deer had a negative effect on their distribution. At a broad scale, roe deer was negatively associated with spatial heterogeneity, namely mean shape index and made less use of areas close to agricultural fields. In Norway, at the local scale, roe deer made more use of areas with high cover of deciduous trees and patches containing juniper and Vaccinium sp.. At a broad scale, roe deer use patches near edges between fields and forest. In both countries, roe deer make use of areas further away from roads. While in Norway roe deer in both summer and winter are always close to houses, in Portugal they are either far (summer) or indifferent (winter). Anthropogenic disturbance is better tolerated in Norway, where the importance of the critical season seems to be higher. Human disturbance may contribute to roe deer habitat loss in Portugal, while roe deer are able to persist close to humans in managed landscapes in Norway. In fact, some of the differences observed could be more due to the indirect impacts of human exploitation (e.g. presence of free-ranging dogs and hunting regulation) rather than the actual human presence or land-use per se. I conclude that the methodology and tools developed here are readily expandable to address similar questions in different contexts. Wildlife management would benefit greatly from a more holistic/integrative approach and that should include human aspects, as human disturbance is expected to continue increasing.

Introduced taxa in disturbed ecosystems

In the literature, introduced taxa are assumed to be present, more abundant, and occupy greater physical space in portions of ecosystems disturbed by human activity. This study tested this principle in two sites, Short Hills provincial Park ("SHU) and Backus Woods ("B~l"). spatial distribution of introduced taxa of vegetation, isopods, and earthworms was determined with the runs test along 300m transects encompassing gradients of anthropogenic disturbance severity. The hypothesis was that introduced taxa would be aggregated along these transects; the null hypothesis was that they would not be aggregated. The null hypothesis was rejected for the introduced taxa as a unit, and vegetation and earthworms individually. Introduced taxa were aggregated along 53.33% (N~30) and 57.14% (N~21) of the transects in SH and BW (respectively). Introduced vegetation (90.00%, N~10 and 100.00%, N~7) and earthworms (50.00%, N~10 and 50.00%, N~8) were also significantly aggregated within the sites. Introduced isopods, however, were not significantly aggregated at either place (20. 00%, N-=10 and 16. 67%, ~J~6). This study demonstrated that introduced taxa are aggregated within ecosystems disturbed by human activity. However, since introduced isopods were not significantly aggregated it was also shown that taxa respond differently.

Dynamique des communautés végétales et impacts des perturbations humaines sur la végétation des tourbières.

Ce mémoire visait à comprendre la dynamique temporelle et les patrons floristiques actuels de deux tourbières du sud-ouest du Québec (Small et Large Tea Field) et à identifier les facteurs anthropiques, environnementaux et spatiaux sous-jacents. Pour répondre aux objectifs, des inventaires floristiques anciens (1985) ont d’abord été comparés à des inventaires récents (2012) puis les patrons actuels et les facteurs sous-jacents ont été identifiés à l’aide d’analyses multi-variables. Mes résultats montrent d’abord qu’un boisement important s’est produit au cours des 30 dernières années dans les tourbières à l’étude, probablement en lien avec le drainage des terres agricoles avoisinantes, diminuant la hauteur de la nappe phréatique. Simultanément, les sphaignes ont proliférées dans le centre des sites s’expliquant par une recolonisation des secteurs ayant brûlés en 1983. D’autre part, mes analyses ont montré que les patrons floristiques actuels étaient surtout liés aux variables environnementales (pH et conductivité de l’eau, épaisseur des dépôts), bien que la variance associée aux activités humaines était aussi significative, notamment dans la tourbière Large (18.6%). Les patrons floristiques ainsi que les variables environnementales et anthropiques explicatives étaient aussi fortement structurés dans l’espace, notamment selon un gradient bordure-centre. Enfin, la diversité béta actuelle était surtout liée à la présence d’espèces non-tourbicoles ou exotiques. Globalement, cette étude a montré que les perturbations humaines passées et actuelles avaient un impact important sur la dynamique et la distribution de la végétation des tourbières Small et Large Tea Field.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Phytophagous insect fauna tracks host plant responses to exotic grass invasion

The high dependence of herbivorous insects on their host plants implies that plant invaders can affect these insects directly, by not providing a suitable habitat, or indirectly, by altering host plant availability. In this study, we sampled Asteraceae flower heads in cerrado remnants with varying levels of exotic grass invasion to evaluate whether invasive grasses have a direct effect on herbivore richness independent of the current disturbance level and host plant richness. By classifying herbivores according to the degree of host plant specialization, we also investigated whether invasive grasses reduce the uniqueness of the herbivorous assemblages. Herbivorous insect richness showed a unimodal relationship with invasive grass cover that was significantly explained only by way of the variation in host plant richness. The same result was found for polyphagous and oligophagous insects, but monophages showed a significant negative response to the intensity of the grass invasion that was independent of host plant richness. Our findings lend support to the hypothesis that the aggregate effect of invasive plants on herbivores tends to mirror the effects of invasive plants on host plants. In addition, exotic plants affect specialist insects differently from generalist insects; thus exotic plants affect not only the size but also the structural profile of herbivorous insect assemblages.