Quantifying and modelling interactive GRADients in VEGetation-hydrodynamic systems: the key to an improved prediction of aquatic system resilience to environmental change (GRADVEG)
Hydrogeology, Hydrology, Limnology, Urban Water Management, Water Chemistry, Integrated Water Resources Management
Final Report Abstract
Im Projekt GradVeg wurde untersucht, wie sich die Wechselwirkung von Pflanzen mit Wasserbewegung (Wellen und Strömung) verändert, wenn sich die Form und Struktur der einzelnen Pflanzen ändert. In diesem Fall wurde erforscht, wie sich eine ungleichmäßige Verteilung der Steifigkeit, des Auftriebs und der Biomasse entlang der Pflanze (von unten nach oben) auf diese Wechselwirkungen auswirkt. Bisher wurden solche Studien stets mit Pflanzenmodellen mit gleichförmiger Verteilung vorgenommen, was hilft die grundlegenden Prozesse zu verstehen, aber nicht die Natur abbildet. Zusätzlich zu Versuchen mit extra entwickelten Modellpflanzen wurde zudem an echten Pflanzen untersucht, wie diese Pflanzeneigenschaften normalerweise verteilt sind und wie Pflanzen sich in diesen Eigenschaften an ihre Umwelt anpassen können. Als Beispielarten wurden eine Salzwiesenart (Spartina anglica), ein Seegras (Zostera marina) und eine Braunalge (Fucus serratus) ausgewählt. Diese drei Arten unterscheiden sich maßgeblich in ihrer vertikalen Biomasseverteilung und decken eine weite Bandbreite von Vegetationsformen (Landpflanze, Wasserpflanze, Alge) ab. In Bezug auf Wasserbewegung sind sie jedoch unter Umständen den gleichen Kräften ausgesetzt, da das Seegras und die Braunalge ähnliche Wassertiefen besiedeln und die Salzwiesenart während Sturmfluten überstaut und somit auch Wellen und Strömung ausgesetzt sein kann. Im Laufe des Projekts hat sich gezeigt, dass die Braunalge sich mit gängigen Methoden derzeit nicht unter dieser Fragestellung untersuchen lässt und es bereits zahlreiche Datensätze von anderen Wissenschaftlern zur der Salzwiesenart gibt. Daher wurde der Schwerpunkt des Projekts auf das Seegras gelegt und bei Landpflanzen Wissenslücken bearbeitet, die zum Zeitpunkt der Antragstellung noch nicht absehbar waren. Außerdem wurde die Forschung im Projekt um Untersuchungen der Sedimentstabilisierung erweitert, die sich aus der Auswirkung der Pflanzen auf die Wasserbewegung ergeben kann. Laborversuche mit den Pflanzenmodellen haben gezeigt, dass die Biomasseverteilung einen direkten sowie einen indirekten Einfluss auf die Wasserbewegung hat. In den Höhenbereichen, in denen weniger Biomasse in der Wassersäule ist, kann die Strömung höher sein. Diese Höhenverteilung der Biomasse hängt jedoch nicht nur von der eigentlichen Form der Pflanze ab, sondern auch davon, wie sie sich in der Strömung biegt, was wiederum von der Biomasseverteilung abhängt, da weniger Biomasse sich leichter biegt als viel Biomasse. Die Auswirkung der Steifigkeitsverteilung war dagegen nicht so eindeutig, denn obwohl die Steifigkeit auch die Biegung der Pflanze beeinflusst, konnte dies nicht unmittelbar in Kraftmessungen nachgewiesen werden. Dafür zeigten die Labormessungen mit einem Modellbestand, dass die Sedimentationsmuster auf unterschiedlichen räumlichen Skalen vergleichbar sind. Sowohl um einzelne Modelle als auch um den ganzen Bestand herum ergab sich ein Bild, bei dem vor der Struktur eine Vertiefung entstand, während hinter der Struktur Sedimentablagerungen zu beobachten waren. In Feldmessungen konnte nachgewiesen werden, dass Küstenpflanzen in der Lage sind, sich an die Belastungen durch Wasserbewegung anzupassen. Seegraspflanzen waren an wellenexponierten Standorten zum Beispiel kleiner, dünner und flexibler als an geschützten Standorten und an einem Standort mit gleicher Exposition waren die Pflanzen in tieferem Wasser länger, dicker und steifer als in flachem Wasser. Bei der Untersuchung von Seegraspflanzen von verschiedenen Standorten zwischen Südportugal und Westschweden wurde jedoch kein direkter Zusammenhang zwischen der Steifigkeit mit betrachteten klimatischen oder biotischen Umweltparametern gefunden. Dennoch zeigen die Ergebnisse die hohe Anpassungsfähigkeit dieser Seegrasart, die zu dem Schluss führt, dass es in der Lage sein wird, sich auch zukünftig unter klimawandelbedingten Änderungen anzupassen. Diese Schlussfolgerung wird durch weitere Ergebnisse unterstützt, die den Einfluss von Salzgehalt und Wassertemperatur auf die Steifigkeit und Vitalität der Pflanzen darstellen. Alle Pflanzen zeigten eine Stressreaktion auf kurzfristige Änderungen in Salzgehalt und Temperatur, es trat jedoch in allen Fällen eine Erholung nach Rückkehr zu den ursprünglichen Bedingungen ein. Ein Einfluss auf die Steifigkeit wurde auch beobachtet, dieser zeigte jedoch keine systematische Abhängigkeit von Salzgehalt und Temperatur. Die Ergebnisse dieser Laborstudie wurden unter dem Titel „Können Wasserpflanzen welken?“ als Science Slam beim "Flux"-Wissenschaftstag (6.5.2017) in Hannover und im Haus der Wissenschaft in Braunschweig (17.6.2017) präsentiert.
Publications
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