Fließgewässer zählen in Bayern zu den für die Biodiversität besonders wichtigen, gleichzeitig aber vom Klimawandel besonders betroffenen Ökosystemen. Im Verbundprojekt AquaKlif werden die Auswirkung klimatischer Einflussfaktoren – Temperatur, niederschlagsbedingter Feinsedimenteintrag, schwankende Abflussmengen – auf die Gewässerökologie und Wasserqualität untersucht und Lösungsansätze für Managementfragen entwickelt.

Das Projekt legt dabei den Fokus auf den Oberlauf von Fließgewässersystemen und untersucht dort die Wirkung der Klimaeinflüsse auf die hyporheische Zone, den hochaktiven Reaktionsraum im Übergang zwischen Gewässer und Umgebung. Dazu werden verschiedene typische Untersuchungsorte in den nichtalpinen Regionen Bayerns ausgewählt.

Die insgesamt sieben Teilprojekte sind durch übergreifende Themen miteinander vernetzt. In der Forschungsphase 2018-2021 stehen folgende Querschnittsthemen im Fokus:

• Mechanistisches Verständnis von Stressoren: Was genau passiert, wenn unterschiedliche Stress-Faktoren im „künstlichen Bach“ eines Fließrinnenexperiments zusammenwirken – und lässt sich diese Reaktion theoretisch modellieren und vorhersagen?
• Skaleneffekte von Stressoren: Inwieweit finden sich die Beobachtungen aus Fließrinnenexperimenten in der hyporheischen Zone echter Bäche wieder – und lassen sich die Auswirkungen der Stressoren auf ganze Regionen Bayerns hochskalieren?
• Analyse bestehender Daten zur Wasserqualität: Welche Informationen lassen sich statistisch aus den langjährigen Monitoring-Messreihen wasserchemischer Parameter zum Einfluss von klimatischem Stress ableiten – und welche Effekte sind für die Lebensräume in Bächen und Flüssen auf Basis zukünftiger Klimawandel-Szenarien zu erwarten?

Für das AquaKlif- Projekt markiert das Jahr 2021 den Übergang von der Forschungs- in die Umsetzungsphase. Hierzu ein kurzer Rückblick auf das bisher Geleistete in den einzelnen Teilprojekten (TPs), sowie eine Reihe von Fotos aus verschiedenen Messkampagnen.

Wir danken allen, die uns bis hierhin
mit ihren Erfahrungen, ihrer Tatkraft und ihren Ideen unterstützt haben
– sowie unserem Fördergeber und der bayklif Geschäftsstelle für die Ermöglichung!

Schon heute leiden viele Tiere darunter, dass ihr Lebensraum zwischen den Kieseln am Bachgrund vielerorts verengt und verstopft wird – durch feine Bodenpartikel, die unter anderem von umliegenden Feldern eingeschwemmt und durch eine fehlende Gewässerdynamik nicht abtransportiert werden. Durch zusätzlichen „klimabedingten Stress“, z.B. höhere Temperaturen und Trockenzeiten mit geringen Wassermengen, aber auch durch Sturzregen, die zusätzliche Erosion bedingen, können diese Effekte noch verstärkt werden.

Die Wissenschaftler untersuchen in diesem Teilprojekt in Rinnenversuchen und an Bächen, wie sich die zu erwartende doppelte Belastung auf die Gewässertiere auswirkt. Daraus wollen sie ableiten, welche Maßnahmen bei der Restaurierung von Bächen zukünftig am meisten Hilfe versprechen.

Entscheidend für den angestrebten „guten Zustand“ eines Gewässers ist der gelöste Sauerstoff im Wasser. In diesem Teilprojekt werden klimabedingte Verschiebungen von Stoffumsätzen insbesondere des Sauerstoffs in Bächen untersucht und daraus folgende ökologische Auswirkungen charakterisiert. Daraus sollen Empfehlungen abgeleitet werden, damit bei Maßnahmen zum Gewässerschutz auch „die Chemie stimmt“.

Hierbei bietet eine neue Messmethode der „stabilen Isotope“ des Sauerstoffs eine spannende Gelegenheit: Sie erlaubt es die Pfade des gelösten Sauerstoffs im Bach, Bachgrund und im Grundwasser zu bestimmen. Das hilft folgende Fragen zu beantworten:

• Woher kommt dieses lebenswichtige Element – aus Photosynthese oder Atmosphäre?
• Wie wird Sauerstoff umgesetzt – durch bakterielle Atmung oder Ausfällung z.B. in Eisen-haltige Minerale?

Stabile Isotope lassen sich auch für andere Elemente wie Kohlenstoff erfassen, um das Gesamtgefüge der zusammenhängenden Kohlenstoff- und Sauerstoffzyklen in den verschiedenen Wasserkompartimenten (Porenwässer, Grundwässer, freies Wasser) besser zu verstehen. Die Arbeitsgruppe Angewandte Geologie der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg stellt dem Projekt eines der wenigen Labore weltweit zur Verfügung, das die neue Methode für Isotopenmessungen bei gelöstem Sauerstoff und anderen Elementen anwendet.

Mit dem Klimawandel öfter zu erwarten sind andauernde Phasen ohne Regen, die zu Niedrigwasser in den Bächen führen und in den letzten Jahren in Bayern im Hoch- und Spätsommer immer wieder aufgetreten sind. In solchen Perioden steigt die Gefahr, dass stellenweise wenig oder kein Sauerstoff mehr in der Zone zwischen Bach- und Grundwasser vorhanden ist. Dies setzt eine ganze Reihe chemischer Reaktionen in Gang, gut zu erkennen durch „Verockerung“ beim Ausfällen von rotbraunen Eisenhydroxiden.

Wann und wo kommt es zu solchen sauerstofffreien Zonen? Welchen Einfluss haben erhöhte Temperaturen, niedrige Abflussmengen sowie der Sedimenteintrag auf ihre Entwicklung? Die Ergebnisse dieses Teilprojekts sind wichtig, um die zukünftige Selbstreinigungskraft der Gewässer einzuschätzen.

Seit mehr als 25 Jahren untersucht der Lehrstuhl für Biogeografie der Universität Bayreuth das Wasser von Quellgebieten in oberfränkischen Wäldern, sowie die rund um diese Sumpfquellen wachsenden charakteristischen Pflanzengemeinschaften. Von der Wasserchemie des Quellwassers – sowie über bestimmte „Indikator“-Pflanzenarten – kann auf ökologische Prozesse im Einzugsgebiet zurückgeschlossen werden. Ziel des Teilprojekts ist es zu ermitteln, ob und wie die Temperatur der Quellen und die dort wachsenden Indikatorarten zusammenhängen, und wie sich Regen- und Quellwassermenge auf die Wassertemperatur auswirken. Weitere Quellstandorte in Steinwald, Oberpfälzer Wald und Bayerischem Wald werden in die Beschreibung der klimatischen Bedingungen bayerischer Waldlandschaften einbezogen.

Die Durchschnittstemperatur der Erde steigt schon seit längerer Zeit, die daraus resultierenden Veränderungen in unseren Ökosystemen verstehen wir erst nach und nach. Es ist belegt, dass sich mit dem Klima auch die Wasserchemie der Bäche verändert. 

In diesem Teilprojekt werden die seit Jahrzehnten gesammelten Daten des integrierten hydrologischen Monitoring-Programms sowie das Quellenarchiv an der Universität Bayreuth statistisch durchleuchtet: Gibt es eindeutige Trends und Muster in den Zeitreihen, die sich auf lokal-klimatische Veränderungen in den Einzugsgebieten zurückführen lassen? Lassen sich ursächliche Zusammenhänge nachweisen? Und lassen sich daraus – in Abhängigkeit der lokalen Klimaszenarien des LfU Bayerns – Prognosen für die zukünftige Entwicklung wasserchemischer Parameter erstellen?

Der nach Starkregen in Bayerns Bäche eingeschwemmte Boden verstopft nicht nur den kiesigen Lebensraum vieler Bachtiere, er bringt auch große Mengen an Nährstoffen wie Stickstoff und Phosphor mit, die Wiesen und Ackerböden düngen sollten. Statt dessen fördern diese Nährstoffe nun das Wachstum von Algen und Wasserpflanzen im Bach – Verkrautung und Sauerstoffmangel am Gewässergrund sind die Folgen. 

Mit dem Klimawandel verschärft sich das Problem in zweierlei Hinsicht: zum einen werden die auf Felder und Wiesen ausgebrachten Nährstoffe in trockenen Phasen von den Pflanzen schlechter aufgenommen,  zum anderen ist häufiger mit extremen Regenfällen zu rechnen, die gedüngten Boden ausschwemmen. 

Was kann getan werden, um sowohl die Erträge in der Landwirtschaft in Zukunft möglichst stabil zu halten, als auch die Nährstoffbelastung der Gewässer zu reduzieren? In diesem Teilprojekt wird anhand Klimaprognosen für Bayern untersucht, wie sich alternative landwirtschaftliche Produktionsmaßnahmen auf Ernteerträge und Nährstoff-frachten in ausgewählten Flusseinzugsgebieten auswirken.

Das Teilprojekt zielt darauf ab, die Ergebnisse aus der Forschungsphase von AQUAKLIF auf zwei Ebenen aufzubereiten und umzusetzen:

Umsetzung in die Praxis – Ableitung von Handlungsoptionen 

• durch den projektbegleitenden Austausch mit einer Arbeitsgruppe aus Vertretern von Ämtern, Naturschutz und Landwirtschaft
• in einem zentralen Workshop „Ergebnisse und Handlungs-empfehlungen“ beim Übergang zwischen Forschungs- und Implementationsphase und
• mit der Entwicklung von Leitfäden zur Revitalisierung von Fließgewässern, Durchführung von Workshops bis hin zur Begleitung von Pilotprojekten. 

Umsetzung in der Umweltbildung und Öffentlichkeitsarbeit

• über die Entwicklung neuer Ideen der Bildung zum Thema Klimaschutz und Gewässerökologie gemeinsam mit den Schülerforschungslabors der Universität Bayreuth
• durch modellhafte Weiterentwicklung des Schüler-Freilandlabors „Rotmain-Safari“
• durch die Entwicklung eines Leitfadens „Umweltbildung Klimawandel und Gewässerökologie“
• über die Kommunikation von Ergebnisse und Maßnahmen an die Öffentlichkeit.