Nicolas Sébastien Dreher

• Im Rahmen der Untersuchung zur Entwicklung der pelagischen Gemeinschaft des ehemals sauren Tagebauseenkomplexes Goitsche (pH~3) während dessen Flutung und Neutralisierung wurden Wechselwirkungen zwischen der Zusammensetzung von Organismengemeinschaften und der Variabilität des abiotischen Umfeldes untersucht.Im Mittelpunkt standen zwei von ihrer Kausalität her unterschiedliche Aspekte: • Der erste Aspekt betraf die Reifung von Ökosystemen: War der Reifungsprozess von pelagischen Gemeinschaften anhand der von Odum (1969) formulierten Kriterien zur Energetik der Gemeinschaft, zu den Nährstoffkreisläufen sowie zu strukturellen Merkmalen auf Ökosystem- und Individuenebene zu erfassen? Führten der physiologische Stress durch den niedrigen pH und physikalische Störungen der Schichtung durch das einströmende Flutungswasser zu einer Umkehr des Reifungsprozesses? Auf welchen Organisationsebenen der Lebensgemeinschaften waren die Auswirkungen dieser Stressoren erkennbar? • Der zweite Aspekt behandelte die Entwicklung der Artenzahl, dieIm Rahmen der Untersuchung zur Entwicklung der pelagischen Gemeinschaft des ehemals sauren Tagebauseenkomplexes Goitsche (pH~3) während dessen Flutung und Neutralisierung wurden Wechselwirkungen zwischen der Zusammensetzung von Organismengemeinschaften und der Variabilität des abiotischen Umfeldes untersucht.Im Mittelpunkt standen zwei von ihrer Kausalität her unterschiedliche Aspekte: • Der erste Aspekt betraf die Reifung von Ökosystemen: War der Reifungsprozess von pelagischen Gemeinschaften anhand der von Odum (1969) formulierten Kriterien zur Energetik der Gemeinschaft, zu den Nährstoffkreisläufen sowie zu strukturellen Merkmalen auf Ökosystem- und Individuenebene zu erfassen? Führten der physiologische Stress durch den niedrigen pH und physikalische Störungen der Schichtung durch das einströmende Flutungswasser zu einer Umkehr des Reifungsprozesses? Auf welchen Organisationsebenen der Lebensgemeinschaften waren die Auswirkungen dieser Stressoren erkennbar? • Der zweite Aspekt behandelte die Entwicklung der Artenzahl, die Gleichverteilung der Dominanz von Arten (Eveness) und die Diversität von Planktongemeinschaften entlang des Produktivitätsgradienten. Speziell wurde untersucht, ob die Artenzahl und die Diversität eine monoton positive oder eine unimodale Funktion der Produktivität waren und ob die Eveness eine monoton abnehmende Funktion der Produktivität war. Zur besseren Vorhersagbarkeit der Entwicklung dieser Indizes wurden in einem nächsten Schritt zusätzliche biotische und abiotische Faktoren (z.B. Konsumenteneffekte, physikalische Störung, Immigration) berücksichtigt. Zuletzt wurde die Hypothese getestet, dass unter dem Einfluss von extremem physiologischem Stress keine Abhängigkeit zwischen den betrachteten Indizes und der Produktivität von Ökosystemen besteht. Die Untersuchungen der vorliegenden Arbeit führten zu folgenden Ergebnissen und Schlussfolgerungen: 1) Der Reifungsprozess der Planktongemeinschaft war unter neutralen Bedingungen nicht eindeutig an einzelnen Kriterien festzumachen. Vielmehr schienen idiosynkratische Effekte einzelner Arten auf die Zusammensetzung und Funktion der Organismengemeinschaft von Bedeutung. Coenobiumbildende Kieselalgen sowie größere Cladoceren und Copepoden dominierten sehr rasch die Planktongemeinschaft und vermittelten den Eindruck eines reifen Ökosystems fast unmittelbar nach der Neutralisierung des Tagebausees. 2) Der Einfluss von physiologischem Säurestress und physikalischer Störung der Schichtung durch das eintretende Flutungswasser war gegenüber einem neutralen, ungestörten Teilbecken des Tagebausees (Referenzzustand) eindeutig zu erkennen. Die isolierte Betrachtung der Wirkung der Stressoren lieferte hinsichtlich fast aller Kriterien Anzeichen einer Verjüngung des Systems sensu Odum (1969, 1985). 3) Im betrachteten Ökosystem existierte eine Hierarchie innerhalb der Stressoren. Der Einfluss des Säurestresses dominierte gegenüber dem Einfluss der physikalischen Störung, wahrscheinlich indem er die Reaktionsmöglichkeiten der Planktongemeinschaft einschränkte. 4) Für Primärproduzenten war die Artenzahl eine monoton positive Funktion der realisierten Biomasse (einem Surrogatparameter für die Produktivität des Systems). Die Eveness war eine monoton negative Funktion der Produktivität. Die beobachtete unimodale Beziehung zwischen der Diversität und der Produktivität der Primärproduzenten muss als eine Folge der mathematischen Formulierung dieser Indizes betrachtet werden. 5) Die Ergebnisse multivariater Modelle zur Vorhersage der Artenzahl und der Eveness der Primärproduzenten in Abhängigkeit zusätzlicher erfassbarer biotischer und abiotischer Faktoren ermöglichten eine differenziertere Betrachtung der Ergebnisse: • Im Tagebausee Goitsche war die Eveness hauptsächlich von dichteabhängigen Prozessen gesteuert (negative Abhängigkeit zum Quadrat der Biomassen und zu den Lichtverhältnissen). • Die Entwicklung der Artenzahl war neben dem primären Einfluss der zunehmenden Biomasse auch durch qualitative und quantitative Aspekte der Konsumentengemeinschaft (Diversität und Biomasse des Zooplanktons) beeinflusst. Der Einfluss einer erhöhten Immigration auf die Artenzahl wurde nur zu Beginn der Flutung des Tagebausees beobachtet. 6) Auf Ebene der Konsumenten war die einzige eindeutig feststellbare Abhängigkeit ein Anstieg der Artenzahl mit steigender Biomasse. Das Fehlen von weiteren Beziehungen zwischen Diversitätsindizes und dem Produktivitätsgradienten wird darauf zurückgeführt, dass auf den unteren trophischen Ebenen der Primärproduzenten Ressourceneffekte (Bottom-Up) stärker ausgeprägt sind, wohingegen auf höheren trophischen Ebenen Konsumenteneffekte (Top-Down) dominieren. 7) In durch physiologischen Stress beeinflussten Systemen bestand keine Abhängigkeit zwischen den Diversitätsindizes (Artenzahl, Eveness und Diversität) und der Produktivität.…
• The objective of this study was to investigate the development of the pelagic plankton community of the formerly acidic open mining lake Goitsche (pH~3) during its flooding and neutralization. The emphasis was on the interaction between the community composition of an ecosystem and the variability of the abiotic environment. The focus was on two aspects, differing in their causality: • The first aspect concerned the maturation process of the studied ecosystem: Was it possible to picture the development of the pelagic community, based on the criteria formulated by Odum (1969) about the energetics of communities, the nutrient cycling and the structural characteristics at the level of the whole system and of individuals? Do the physiological stress and the physical disturbances, caused by the acidic environment and the inflowing water, induce a reversal of the maturation process? And on which levels of organization can the effect of these stressors be detected? • The second aspect concerned the relationship between selected diversityThe objective of this study was to investigate the development of the pelagic plankton community of the formerly acidic open mining lake Goitsche (pH~3) during its flooding and neutralization. The emphasis was on the interaction between the community composition of an ecosystem and the variability of the abiotic environment. The focus was on two aspects, differing in their causality: • The first aspect concerned the maturation process of the studied ecosystem: Was it possible to picture the development of the pelagic community, based on the criteria formulated by Odum (1969) about the energetics of communities, the nutrient cycling and the structural characteristics at the level of the whole system and of individuals? Do the physiological stress and the physical disturbances, caused by the acidic environment and the inflowing water, induce a reversal of the maturation process? And on which levels of organization can the effect of these stressors be detected? • The second aspect concerned the relationship between selected diversity indices of the community (Species richness, Eveness and Diversity) and the whole-system productivity gradient. I looked whether the Species richness and the Diversity were a monotonous increasing or a unimodale function of the productivity, and if the Eveness was a monotonous decreasing function of the productivity. In a next step, to assure a better predictability of these indices, I took additional biotic and abiotic variables (e.g. consumer effect, physical disturbance, and immigration) into consideration. Lastly, I tested the hypothesis that under the influence of extreme physiological stress there would be no relationship between the diversity indices and the productivity. Main results and conclusions are as follows: 1) The maturation process of the plankton community under neutral conditions could not clearly be depicted by single criteria alone. The structure and function of the community seemed much more driven by idiosyncratic effects of individual species. Coenobial diatoms as well as larger Cladocera and Copepoda, which rapidly dominated the plankton community, made the ecosystem look mature almost immediately after the neutralization of the mining lake. 2) The influence of the physiological stress and the physical disturbances on the maturation process was observed, when compared to an unimpaired reference basin of the open mining lake. When the effects of the two stressors were considered alone, nearly all criteria confirmed a reversal of the maturation process sensu Odum (1969, 1985). 3) In the ecosystem there existed a hierarchy within stressors. The influence of the acid stress dominated over the influence of the physical disturbance, probably by restraining the reaction potential of the plankton community. 4) For primary producers, the Species richness was a monotonous positive function of the realized biomass (a surrogate for the productivity of the ecosystem), and the Eveness a monotonous negative function of the productivity. The observed unimodale relationship between the Diversity and the productivity of primary producers must be seen as a consequence of the mathematical formulation of these indices. 5) The results of multivariate models regarding the forecast of both Species richness and Eveness of the primary producers in relation to the additionally considered biotic and abiotic factors revealed following dependences: • In the mining lake Goitsche the realized Eveness was mainly explained by density dependent processes (negative dependence to the square of the producer biomass and to the light level). • Besides the main influence of increasing biomasses, the Species richness was a function of qualitative and quantitative aspects of the consumer community (Diversity and biomass of the zooplankton). A significant impact of species immigration from the regional pool on the realized Species richness was observed only at the beginning of the flooding of the mining lake. 6) At the consumer level, the only significant relationship was an increase of the Species richness with increasing biomass. The absence of further dependencies between diversity indices and the productivity gradients is attributed to the fact that on lower trophic levels Bottom-Up effects play a major role in the regulation of the community structure, whereas on higher trophic levels Top-Down effects dominate. 7) In ecosystems affected by physiological stress no relationship existed between the diversity indices (Species richness, Eveness and Diversity) of the plankton community and the productivity.…