TY  - THES
A1  - Huber, Veronika Emilie Charlotte
T1  - Climate impact on phytoplankton blooms in shallow lakes
T1  - Der Einfluss des Klimas auf Algenblüten in Flachseen
N2  - Lake ecosystems across the globe have responded to climate warming of recent decades. However, correctly attributing observed changes to altered climatic conditions is complicated by multiple anthropogenic influences on lakes. This thesis contributes to a better understanding of climate impacts on freshwater phytoplankton, which forms the basis of the food chain and decisively influences water quality. The analyses were, for the most part, based on a long-term data set of physical, chemical and biological variables of a shallow, polymictic lake in north-eastern Germany (Müggelsee), which was subject to a simultaneous change in climate and trophic state during the past three decades. Data analysis included constructing a dynamic simulation model, implementing a genetic algorithm to parameterize models, and applying statistical techniques of classification tree and time-series analysis. Model results indicated that climatic factors and trophic state interactively determine the timing of the phytoplankton spring bloom (phenology) in shallow lakes. Under equally mild spring conditions, the phytoplankton spring bloom collapsed earlier under high than under low nutrient availability, due to a switch from a bottom-up driven to a top-down driven collapse. A novel approach to model phenology proved useful to assess the timings of population peaks in an artificially forced zooplankton-phytoplankton system. Mimicking climate warming by lengthening the growing period advanced algal blooms and consequently also peaks in zooplankton abundance. Investigating the reasons for the contrasting development of cyanobacteria during two recent summer heat wave events revealed that anomalously hot weather did not always, as often hypothesized, promote cyanobacteria in the nutrient-rich lake studied. The seasonal timing and duration of heat waves determined whether critical thresholds of thermal stratification, decisive for cyanobacterial bloom formation, were crossed. In addition, the temporal patterns of heat wave events influenced the summer abundance of some zooplankton species, which as predators may serve as a buffer by suppressing phytoplankton bloom formation. This thesis adds to the growing body of evidence that lake ecosystems have strongly responded to climatic changes of recent decades. It reaches beyond many previous studies of climate impacts on lakes by focusing on underlying mechanisms and explicitly considering multiple environmental changes. Key findings show that climate impacts are more severe in nutrient-rich than in nutrient-poor lakes. Hence, to develop lake management plans for the future, limnologists need to seek a comprehensive, mechanistic understanding of overlapping effects of the multi-faceted human footprint on aquatic ecosystems.
N2  - Weltweit haben Seeökosysteme auf den Klimawandel der letzten Jahrzehnte reagiert. Beobachtete Veränderungen eindeutig dem Klimawandel zuzuordnen, wird jedoch häufig dadurch erschwert, dass Seen gleichzeitig vielfachen anthropogenen Einflüssen ausgesetzt sind. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des Klimaeinflusses auf Algen bei, die am Anfang der Nahrungskette stehen und maßgeblich die Wasserqualität eines Sees beeinflussen können. Zum größten Teil stützt sich die Arbeit auf eine dreißigjährige Datenreihe eines unregelmäßig geschichteten Flachsees im Nordosten von Deutschland (Müggelsee), in dem sowohl steigende Wassertemperaturen als auch sinkende Nährstoffeinträge zu verzeichnen waren. Bei der Datenanalyse wurde ein neu erstelltes dynamisches Simulationsmodell, genetische Algorithmen zur Parametrisierung von Modellen, und statistische Methoden der Klassifizierung und Zeitreihenanalyse genutzt. Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass nicht nur klimatische Faktoren sondern auch die Nährstoffverfügbarkeit im See den Zeitpunkt der Algenfrühjahrsblüte (Phänologie) beeinflussen. Durch eine Veränderung der Mechanismen, die zum Kollaps der Blüte führen, trat diese trotz ähnlich milder Winterbedingungen bei hoher Nährstoffverfügbarkeit früher auf als bei niedriger. Ein neuentwickelter Ansatz zur Modellierung von Phänologie erwies sich als geeignet, um vorherzusagen, wann Algen und ihre Räuber in einem künstlich periodisch angetriebenen Laborsystem ihre Populationshöhepunkte erreichten. Eine Verlängerung der Wachstumsperiode führte dazu, dass diese früher auftraten. Die Untersuchung, warum sich Blaualgen im betrachteten See während jüngster Hitzewellenereignisse überraschend unterschiedlich entwickelt hatten, ergab, dass ungewöhnlich warmes Wetter nicht wie häufig vermutet generell förderlich für ihre Entwicklung ist. Der Zeitpunkt und die Dauer der Hitzewellen waren entscheidend dafür, ob für Blaualgen kritische Schwellenwerte der thermischen Schichtung im See überschritten wurden. Zudem zeigte sich, dass saisonale Erwärmungsmuster einen bedeutenden Einfluss auf Räuber nahmen, die das Auftreten von Algenblüten verhindern können. Diese Arbeit reiht sich in eine wachsende Anzahl von Studien ein, die zeigen, dass Seeökosysteme bereits stark auf die Klimaveränderungen der letzen Jahrzehnte reagiert haben. Mit ihrem Fokus auf Mechanismen und der expliziten Berücksichtigung simultaner anthropogener Einflüsse geht diese Arbeit gleichzeitig über viele bisherige Studien hinaus, die sich auf reine Beobachtung und die Betrachtung klimatischer Faktoren beschränkten. Kernergebnisse deuten daraufhin, dass Klimafolgen in nährstoffreichen Seen stärker ausfallen als in nährstoffarmen Seen. Nur mit einem umfassenden, mechanistischen Verständnis des vielfältigen anthropogenen Einflusses wird eine hohe Wasserqualität in Seen auch in Zukunft aufrechtzuerhalten sein.
KW  - Klimawandel
KW  - Gewässer
KW  - Phytoplankton
KW  - Phänologie
KW  - Modellierung
KW  - climate change
KW  - freshwater
KW  - phytoplankton
KW  - phenology
KW  - modelling
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-42346
ER  - 
TY  - THES
A1  - Natkhin, Marco
T1  - Modellgestützte Analyse der Einflüsse von Veränderungen der Waldwirtschaft und des Klimas auf den Wasserhaushalt grundwasserabhängiger Landschaftselemente
T1  - Model-based Analysis of the Impact of Changing Climate and Forest Cultivation on the Water Balance of Groundwater-Dependent Landscape Elements
N2  - In den letzten drei Jahrzehnten wurden in einigen Seen und Feuchtgebieten in bewaldeten Einzugsgebieten Nordost-Brandenburgs sinkende Wasserstände beobachtet. In diesen Gebieten bestimmt die Grundwasserneubildung im Einzugsgebiet maßgeblich das Wasserdargebot der Seen und Feuchtgebiete, die deshalb hier als grundwasserabhängige Landschaftselemente bezeichnet werden. Somit weisen die sinkenden Wasserstände auf einen Rückgang der wegen des geringen Niederschlagsdargebotes ohnehin schon geringen Grundwasserneubildung hin. Die Höhe der Grundwasserneubildung ist neben den hydroklimatischen Randbedingungen auch von der Landnutzung abhängig. Veränderungen in der Waldvegetation und der hydroklimatischen Randbedingungen bewirken Änderungen der Grundwasserneubildung und beeinflussen somit auch den Wasserhaushalt der Seen und Feuchtgebiete. Aktuell wird die Waldvegetation durch Kiefernmonokulturen dominiert, mit im Vergleich zu anderen Baumarten höherer Evapotranspiration. Entwicklungen in der Forstwirtschaft streben die Verringerung von Kiefernmonokulturen an. Diese sollen langfristig auf geeigneten Standorten durch Laubmischwälder ersetzt werden. Dadurch lassen sich eine geringere Evapotranspiration und damit eine höhere Grundwasserneubildung erreichen. In der vorliegenden Arbeit werden am Beispiel des Redernswalder Sees und des Briesensees die Ursachen der beobachteten sinkenden Wasserstände analysiert. Ihre Wasserstände nahmen in den letzten 25 Jahren um mehr als 3 Meter ab. Weiterhin wird untersucht, wie die erwarteten Klimaänderungen und Veränderungen in der Waldbewirtschaftung die zukünftige Grundwasserneubildung und den Wasserhaushalt von Seen beeinflussen können. Die Entwicklung der Grundwasserneubildung im Untersuchungsgebiet wurde mit dem Wasserhaushaltsmodell WaSiM-ETH simuliert. Die Analyse der Wechselwirkungen der Seen mit dem regionalen quartären Grundwasserleitersystem erfolgte mit dem 3D-Grundwassermodell FEFLOW. Mögliche zukünftige Veränderungen der Grundwasserneubildung und der Seewasserstände durch Klimaänderungen und Waldumbau wurden mit Szenarienrechnungen bis zum Jahr 2100 analysiert. Die modellgestützte Analyse zeigte, dass die beobachteten abnehmenden Wasserstände zu etwa gleichen Anteilen durch Veränderungen der hydroklimatischen Randbedingungen sowie durch Veränderungen in der Waldvegetation und damit abnehmenden Grundwasserneubildungsraten zu erklären sind. Die zukünftigen Entwicklungen der Grundwasserneubildung und der Wasserstände sind geprägt von sich ändernden hydroklimatischen Randbedingungen und einem sukzessiven Wandel der Kiefernbestände zu Laubwäldern. Der Waldumbau hat positive Wirkungen auf die Grundwasserneubildung und damit auf die Wasserstände. Damit können die Einflüsse des eingesetzten REMO-A1B-Klimaszenarios zum Ende des Modellzeitraumes durch den Waldumbau nicht kompensiert werden, das Sinken des Wasserstandes wird jedoch wesentlich reduziert. Bei dem moderateren REMO-B1-Klimaszenario werden die Wasserstände des Jahres 2008 durch den Waldumbau bis zum Jahr 2100 überschritten.
N2  - Declining water levels have been observed in some lakes and wetlands in forested catchments in North-East Brandenburg (Germany). Groundwater recharge mainly controls the supply of water available for lakes and wetlands, therefore determining them as groundwater-dependent landscape elements. Thus, the declining water levels indicate a reduction of groundwater recharge. Aspects such as climate change and different forest management practices have been considered as main factors affecting the regional groundwater regime. Currently, forest landscapes in North-East Brandenburg are dominated by pine monoculture. Depending on the climate conditions, groundwater recharge can be significantly lower under pine than under broad-leaved species like beech or oak. Regional forest administration is currently planning to expand the share of broad-leaved trees among mixed deciduous forest in the future. For this study, two lakes were chosen, the Redernswalder See and the Briesensee at Poratz. Water gauge measurements over the last 25 years showed a decline in lake water level by more than 3 m. To identify and quantify the share of changes in both, climate and forest management, the principal processes were evaluated using field measurements and water balance modelling. In the following step, alternative climate change and forestry scenarios were analysed to discover their impacts on the regional distribution of groundwater recharge. At first, the causes of the declining observed water levels were analysed. For this purpose, the physically based and fully distributed water balance model WaSiM-ETH was used to simulate groundwater recharge in the catchment and evaporation from the lake surfaces from 1958 to 2007. To analyse the geohydrological conditions, a FEFLOW 3D groundwater model was built up for the underlying Quaternary aquifer system. Possible development directions of the water balance were simulated under the influence of climate change and forest conversion until 2100. The model based analysis showed that the observed declining water levels are caused by both changes in climatic boundary conditions and in forest vegetation (age distribution and understorey) followed by decreasing groundwater recharge with an equal magnitude. The future developments of groundwater recharge and water levels are governed by changes in climatic boundary conditions and a transition from pine monoculture to broad-leaved trees. Forest conversion will show a positive effect on groundwater recharge and likely increase the water levels of lakes and wetlands. The forest conversation can not completely compensate the impact of climate change to the lake water levels, but the decrease can be significantly limited.
KW  - Seewasserhaushalt
KW  - Waldumbau
KW  - Grundwasserneubildung
KW  - Nordostdeutsches Tiefland
KW  - Klimaänderungen
KW  - lakes water balance
KW  - forest conversion
KW  - groundwater recharge
KW  - North-East German Plain
KW  - climate change
Y1  - 2010
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-50627
ER  -