Forscher beleuchten die Widerstandsfähigkeit von Flüssen gegenüber Überschwemmungen

Forscher der University of Nevada, Reno, haben eine der umfangreichsten Studien zur Widerstandsfähigkeit von Flüssen durchgeführt und untersucht, wie sich Flussökosysteme nach Überschwemmungen erholen. Sie entwickelten einen neuartigen Modellierungsansatz, der Daten von in Flüssen angebrachten Sauerstoffsensoren nutzte, um das tägliche Wachstum von Wasserpflanzen und Algen abzuschätzen. Anschließend modellierten die Forscher die Algen- und Pflanzenbiomasse in 143 Flüssen in den angrenzenden USA, um zu quantifizieren, welches Ausmaß der Überschwemmungen die Biomasse stört und wie lange die Flüsse brauchen, um sich von den Überschwemmungen zu erholen.

Ein besseres Verständnis der Widerstandsfähigkeit von Flüssen ist wichtig für die Erhaltung gesunder Flüsse, da menschliches Handeln das Hochwasserregime beeinflussen und die Bedingungen in Flüssen für andere Wasserlebewesen verändern kann, die möglicherweise auf Algen und Pflanzen als Nahrungsquelle angewiesen sind.

Die Assistenzprofessorin Joanna Blaszczak und die Postdoktorandin Heili Lowman, beide vom College of Agriculture, Biotechnology & Natural Resources und Global Water Center der Universität, leiteten die Forschung, die in zwei separaten Zeitschriftenartikeln veröffentlicht wurde.

Die Vorarbeiten unter der Leitung von Blaszczak und veröffentlicht In Ökologiebriefe Im vergangenen Juni untersuchte er zunächst sechs Flüsse und legte den Grundstein und die Methodik für die zweite Studie, mit deren Durchführung Blaszczak Lowman beauftragte und die 143 Flüsse untersuchte. Die Ergebnisse dieser Forschung wurden am 24. Januar in der veröffentlicht Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Die Forschung ist einzigartig, da sie Veränderungen der Biomasse in Flüssen häufiger als je zuvor abschätzt, ohne dass Flüsse direkt beprobt werden müssen. Dazu werden sowohl Daten von Sauerstoffsensoren verwendet, die vom US Geological Survey in den Flüssen angebracht wurden, als auch ein Populationsmodell der Algen- und Pflanzenbiomasse – ähnlich einem menschlichen Populationsmodell, das Veränderungen in der Anzahl der Menschen im Laufe der Zeit modelliert, aber stattdessen die Veränderung der Menge an Algen und Pflanzen.

Die Sauerstoffsensoren begannen 2007 mit der Datenerfassung, und die jüngste von Nevada durchgeführte Studie über 143 Flüsse umfasst einige Daten aus neun Jahren in Folge und gehört damit zu den längsten Aufzeichnungen dieser Art, die für Flüsse auf der ganzen Welt vorliegen.

„Früher musste man an einen Fluss gehen und Steine ​​schrubben, um die Algen zu messen, und das mehrmals über einen längeren Zeitraum, um Veränderungen im Biomassewachstum und -verlust abzuschätzen“, sagte Blaszczak. „Das ist sehr zeitaufwändig, daher sind die Daten im Verhältnis zur Größe unserer Sensornetzwerke äußerst begrenzt.“

Blaszczak sagte, dass das Team mit den Sauerstoffsensoren, die alle fünf Minuten Daten erfassen, herausfand, dass sie mithilfe statistischer Modelle die Menge der täglich stattfindenden Photosynthese extrahieren und die täglichen Veränderungen der Biomassemenge in einem Fluss im Laufe der Zeit abschätzen könnten.

„Die Sensoren für gelösten Sauerstoff zeigen den Höchstwert tagsüber und den Tiefstwert nachts, und anhand dieser Muster kann man abschätzen, wie viel neue Algen und andere Biomasse an diesem Tag gewachsen sind“, sagte sie. „Da die Sensoren seit Jahren kontinuierlich Daten in Hunderten von Flüssen messen, können wir uns ein viel größeres und klareres Bild machen. Die Daten sind vorhanden und wir können sie verwenden, um die Größe der Überschwemmung zu modellieren, die erforderlich ist, um die Biomasse in einem Fluss zu stören.“ sowie die Geschwindigkeit, mit der sich ein Fluss von Überschwemmungsstörungen erholt, was uns dabei helfen kann, Flüsse effektiver zu verwalten.“

Erste Schritte

In der ersten Studie nutzte Blaszczak zwei Jahre lang Daten von Sauerstoffsensoren, die in sechs Flüssen angebracht waren. Sie stellte fest, dass sie diese Daten erfolgreich nutzen konnte, um die für einen Fluss spezifische Überschwemmungsschwelle zu modellieren, die die darunter liegende Biomasse störte, und dass im Allgemeinen das Ausmaß der Überschwemmung, die zur Störung der Biomasse und zur Verringerung der Produktivität des Ökosystems erforderlich war, niedriger war als die für die Mobilisierung erforderliche Störungsströmungsschwelle Flussbettsediment, ein Maß für die Störung, das häufig von Flussforschern verwendet wird.

Mit anderen Worten: Anstatt die Störung des Flusses durch die Bewegung der Steine ​​auf dem Flussbett abzuschätzen, nutzte diese Studie die Biologie – die Veränderungen im Algen- und Pflanzenwachstum –, um die Störung des Flusses zu quantifizieren, und stellte fest, dass die biologische Störungsschwelle liegt war niedriger.

„Die Menge an Biomasse ist wichtig für die Wasserqualität und eine Nahrungsquelle für alles, was in einem Fluss lebt“, erklärte Blaszczak. „Daher ist sie wichtiger als die Gesteinsbewegung, wenn es darum geht, wie sich eine Störung auf ein Flussökosystem auswirkt.“

Blaszczak, eine Süßwasserökologin, begann diese Arbeit mit Robert O. Hall Jr. von der Flathead Lake Biological Station an der University of Montana und holte sich die Hilfe ihres Kollegen Assistenzprofessor Robert Shriver, eines Pflanzenökologen, um beide Forschungsprojekte abzuschließen Modellierung des Biomassewachstums. Blaszczak, Shriver und Lowman forschen alle im Rahmen der Abteilung für natürliche Ressourcen und Umweltwissenschaften des Colleges sowie der Forschungseinheit Experiment Station des Colleges. Die Fakultät des Colleges verfolgt oft interdisziplinäre Ansätze, um Forschungsherausforderungen zu meistern, sagte Blaszczak.

Ausdehnung auf kontinentales Ausmaß

Blaszczak wollte weiter vertiefen, indem er diesen Ansatz über einen längeren Zeitraum auf mehr Flüsse anwendete, um Aufschluss darüber zu geben, wie verschiedene Faktoren sowohl die Schwellenwerte eines Flusses für Hochwasserstörungen als auch seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Überschwemmungen beeinflussen können. Deshalb beauftragte sie Lowman mit der zweiten, umfangreicheren Studie. Lowmans Forschung untersuchte Landschafts- und Flusseigenschaften, die die Widerstandsfähigkeit der Flüsse gegenüber Überschwemmungen beeinflussten.

„Wir hatten noch nie so gute Einblicke in die Widerstandsfähigkeit von Flüssen, und aufgrund der Menge an Daten und unserer Modellierung verstehen wir jetzt die natürlichen Unterschiede in der Widerstandsfähigkeit und dass sich die breitesten Flüsse ohne Dämme flussaufwärts am schnellsten erholen“, sagt Lowman sagte.

Die Tatsache, dass sich breite Flüsse ohne Dämme schneller erholen als breite Flüsse mit flussaufwärts gelegenen Dämmen, sei nicht sofort offensichtlich, sagte sie, und sei ein Beispiel dafür, wie Flüsse durch unser Handeln beeinflusst und/oder bewirtschaftet werden können. Für die meisten Flüsse, die Lowman untersuchte, lagen Daten aus drei bis vier Jahren vor, einige sogar aus neun Jahren und eine Handvoll aus weniger als einem Jahr.

„Daten aus drei bis vier Jahren zu haben ist viel mehr, als wir jemals zuvor nutzen konnten“, sagte Lowman. „Und wir nutzten Flüsse unterschiedlicher Größe mit unterschiedlichem Klima und unterschiedlichen Landeigenschaften.“

Abgesehen davon, dass breitere Flüsse ohne Dämme widerstandsfähiger seien, sagte Lowman, dass Flüsse, die häufiger Überschwemmungen hatten, sich tendenziell auch schneller erholten.

„Es könnte sein, dass sie seit langem häufige Überschwemmungen hatten und ihre Algen- und Pflanzengemeinschaften daher die Fähigkeit entwickelt haben, sich an häufigere Störungen anzupassen“, sagte sie.

Insgesamt sagte Lowman, dass die Ergebnisse des neuen Modells mit anderen früheren Ansätzen konsistent seien. Sie sagte jedoch, dass einige Standorte viel länger, einen Monat oder länger, brauchten, um sich von den Überschwemmungen zu erholen als andere Standorte, unabhängig von der Flussgröße.

„Es könnte an der Zusammensetzung der Algen- und Pflanzengemeinschaften, der Struktur des Flussbetts oder anderen Faktoren liegen“, sagte sie. „Die Schwellenwerte und Erholungszeiten hängen höchstwahrscheinlich teilweise vom Gefälle, der Korngröße des Sediments und möglicherweise anderen Faktoren ab, die nicht so gut dokumentiert sind. Das sind einige nächste Schritte für zukünftige Forschung.“