Robinson Christopher Thomas

Sediment dynamics, ecological processes and biodiversity in rivers: linkages, patterns, upscaling

Project Number: CH-5141
Project Type: Dissertation
Project Duration: 01/01/2014 - 12/31/2016 project completed
Funding Source: BAFU ,
Project Leader: PD Dr. Christopher Thomas Robinson
Fliessgewässerökologie, Fliessgewässersysteme
Aquatische Ökologie (ECO)
EAWAG
Überlandstrasse 133
8600 Dübendorf
Phone: +41 (0) 58 765 53 17 ; +41 (0) 58 765 51 32
FAX: +41 (0) 58 765 53 15
e-Mail: christopher.robinson(at)eawag.ch
http://www.eawag.ch/research/lim/d_index.html

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Research Areas:
Biodiversity

Disciplines:
hydrology, limnology, glaciology
ecology

Keywords:
Alpien streams, regulated streams, sediment, ecological patterns, acrrozoobenthos, ecosystem respiration

Abstract:
Zusammenfassung

Das Abfluss- und das Sedimentregime eines Fliessgewässers gehören zu den wichtigsten abiotischen Faktoren, die Ökosysteme formen. Die beiden Regime sind zeitlich und räumlich miteinander verbunden. Dadurch haben sie einen wesentlichen Einfluss auf die Habitatzusammensetzung, die Ökosystemprozesse und die Zusammensetzung der Lebensgemeinschaften. Aufgrund menschlicher Eingriffe wie dem Bauen eines Dammes oder der Korrektur eines Flusses sind beide Regime in Fluss- und Auenlandschaften heutzutage stark beeinträchtigt. In diesem Zusammenhang war das Hauptziel dieser Arbeit, die Wechselwirkung von Abfluss- und Sedimentregimen auf Ökosystemstrukturen und -funktionen in regulierten Flüssen zu untersuchen sowie Ansätze und Techniken zu bewerten, die den negativen Einfluss der Regulierung mindern sollen. Als Indikatoren zur Charakterisierung von Ökosystemfunktionen dienten hierbei die Sedimentrespiration im Hyporheos sowie der benthische Algenaufwuchs inklusive dessen Chlorophyll-a-Gehalt. Zur Bewertung der Ökosystemstruktur dienten Lebensgemeinschaften von Makroinvertebraten als Indikatoren. Das erste Kapitel dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Variabilität der strukturellen und funktionellen Indikatoren bei unterschiedlichen Abfluss- und morphologischen Bedingungen. Durchgeführt wurde diese Studie an der Thur, deren kanalisierter Flusslauf durch eine etwa ein Kilometer lange Aufweitungsstrecke (Entfernung der Seitendämme) unterbrochen wird. Im Gegensatz zur kanalisierten Strecke konnten sich in der Aufweitungsstrecke neue Habitate wie Kiesbänke bilden, die aufgrund der Abflussvariation ständigem Wechsel unterlegen sind. Im Vergleich zeigte die kanalisierte Strecke hinsichtlich der Sedimentrespiration, dem benthischem Algenaufwuchs und den Makroinvertebraten höhere Raten bzw. Abundanzen. Hingegen war die aufgeweitete Strecke aufgrund der grösseren abflussbedingten Störung durch eine erhöhte zeitliche und räumliche Variabilität in den oben genannten Parametern geprägt. Insgesamt wurden die Sedimentrespiration und die Anzahl der Makroinvertebratenarten wesentlich durch die Abflussvariabilität und die Flussmorphologie beeinflusst, wohingegen der benthische Algenaufwuchs und die Makroinvertebratendichte vornehmlich durch die Abflussvariabilität alleine gesteuert wurden. Das zweite Kapitel untersuchte den Einfluss der Abflussregulierung (Restwasser und Schwall-Sunk) auf aquatische Lebensstadien derjenigen Makroinvertebraten, die während Trockenphasen in Schotterbänken (Macroinvertebrate seedbanks) überdauern können. Schotterbänke, die durch Schwall-Sunk-Dynamiken ständigem aquatisch-terrestrischem Wechsel ausgesetzt waren, zeigten höhere Organismendichten aufgrund der hohen Überflutungsfrequenz, welche die Drift der Invertebraten auf die Schotterbänke erhöht. In der Restwasserstrecke, in der Wasserstandsschwankungen weitgehend fehlen, konnte ein entgegengesetzter Trend aufgezeigt werden. Thema des dritten Kapitels war der ökologische Einfluss von Sedimentumleitstollen. Sedimentumleitstollen leiten Geschiebe aus dem Einzugsgebiet um den Damm herum, wodurch die Sedimentakkumulation im Stausee vermindert wird. Dieser Durchlass von Geschiebe und Abfluss führte generell zu einer Abnahme aller gemessenen Indikatoren (Sedimentrespiration, Algenaufwuchs und Makroinvertebraten) in Abhängigkeit von der Stärke und Dauer der Abfluss- und Geschiebedurchleitung. Im vierten Kapitel wurden die Wechselwirkungen von Abfluss- und Sedimenteintrag in zwei Flüssen mit unterschiedlicher hydromorphologischer Bewirtschaftung (experimentelle Hochwasser und Sedimentumleitstollen) untersucht. Die Sedimentzufuhr über Seitenerosion bei experimentellen Hochwassern verursachte eine morphologische und biotische Heterogenität im Flussbett, wohingegen Sedimentzugaben flussaufwärts über Sedimentumleitstollen generell zu einer Abnahme der biotischen Indikatoren im System sowie zu einer reduzierten räumlichen Variabilität führten. Insgesamt zeigen die Resultate dieser Arbeit, dass jede der gemessenen Ökosystemeigenschaften in spezifischer Weise von den Interaktionen des Abfluss- und Sedimentregimes beeinflusst werden. Massnahmen zur Verminderung der negativen Konsequenzen eines beeinträchtigten Abfluss- und Sedimentregimes auf Ökosystemsstrukturen und -funktionen können in verschiedener Weise angewandt werden. Voraussetzung dafür ist jedoch eine integrative Sichtweise dieser Bewirtschaftungsformen.

Leading questions:
The overall objective of this thesis is to understand how sediment dynamics develop under different flow and sediment conditions and how these factors affect ecological processes (i.e., sediment respiration) and zoobenthic assemblages in rivers and floodplain habitats. Field experiments will cover a wide range of conditions, from near natural or rehabilitated floodplains to streams with modified flow conditions and sediment replenishment. Additionally, I will focus on developing a model to predict and evaluate floodplain ecological responses to different hydrological conditions.

Publications:
Martin Sanz, Eduardo (2016) Flow sediment interactions in managed rivers: influence on ecosystem structure and function. Dissertation No. 24007, ETH-Zurich, pp 121.


Last update: 3/20/17
Source of data: ProClim- Research InfoSystem (1993-2020)
Update the data of project: CH-5141

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