Erarbeitung einer Trophiekarte für Hessen einschließlich statistischer Auswertungen zu trophischen Belastungsfaktoren als Grundlage für eine effiziente Maßnahmenplanung an hessischen Gewässern Masterarbeit Dipl.-Ing. (FH) Nina Boxen Oktober 2018 Aufgabenstellung für die Masterarbeit von Frau Dipl.-Ing. (FH) Nina Boxen Matrikelnummer 10008733 Erarbeitung einer Trophiekarte für Hessen einschließlich statistischer Aus- wertungen zu trophischen Belastungsfaktoren als Grundlage für eine effizi- ente Maßnahmenplanung an hessischen Gewässern Im Jahr 2000 wurde die Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) in der Europäischen Union ver- abschiedet. Das übergeordnete Ziel der WRRL ist der gute Zustand der europäischen Gewässer. Die maßgebliche Grundlage der Zustandsbewertung nach WRRL in Oberflä- chengewässern bilden vier biologische Qualitätskomponenten: „Phytoplankton“, „Makro- zoobenthos“, „Fische“ und „Makrophyten & Phytobenthos“. Die Bewertung für die einzelne Qualitätskomponente erfolgt dabei durch den Vergleich der vorgefundenen Gesellschaft an der jeweiligen Messstelle mit der leitbildorientierten Referenz-Gesellschaft des jeweili- gen Gewässertyps. Je nach Grad der Abweichung der vorgefundenen Gesellschaft zur Referenz-Gesellschaft erfolgt die Zuordnung in eine von fünf ökologischen Zustandsklas- sen. Zustandsklasse 1 repräsentiert dabei den sehr guten Zustand. Für die Qualitätskomponente „Makrophyten & Phytobenthos“ wurde nach den Vorgaben der WRRL mit „PHYLIB“ ein bundesweit gültiges Bewertungsverfahren für die ökologische Qualität von Oberflächengewässern entwickelt. „Makrophyten & Phytobenthos“ werden dabei für Fließgewässer in die drei Teilkomponenten: „Makrophyten“, „Phytobenthos ohne Diatomeen“ und „Diatomeen“ unterteilt. Der „Trophie- bzw. Saprobienindex“ stellt eins von vier Modulen zur Berechnung der Teilkomponente „Diatomeen“ dar. Die Berechnung fußt auf dem Indikationssystem nach Rott et al. (1999, 1997), und damit auf nunmehr 20 Jahre alten Indikationslisten und artspezifischen Trophie- und Saprobiewerten. In der Zwischen- zeit haben sich sowohl die Taxonomie als auch das autökologische Wissen über die Arten deutlich verändert und erweitert. So legten Pfister et al. (2016) eine Überarbeitung des Trophie- und Saprobie-Bewertungssystems nach Rott et al. (1999, 1997) vor, das neben einer aktualisierten Indikationsliste angepasste bzw. neudefinierte artspezifischen Trophie- und Saprobiewerte einschließlich der dazugehörigen Gewichtungen umfasst. Ziel der Masterarbeit von Frau Boxen ist es, die neuen Erkenntnisse aus dem überarbeite- ten Trophie-Bewertungssystem nach Pfister et al. (2016) an den hessischen Diatomeen- aufnahmen aus den Jahren 2005 bis 2016 anzuwenden. Unter dem Aspekt der länder- spezifischen Bewertung sollen dabei anhand der hessischen Diatomeenaufnahmen die typspezifischen Trophieindexklassengrenzen überprüft und falls notwendig für Hessen angepasst werden. Masterarbeit – Nina Boxen III Die überprüften und gegebenenfalls angepassten Trophieindexklassengrenzen dienen im Weiteren als Ausgangspunkt für die Erarbeitung einer ersten landesweiten Trophiekarte für Hessen, die das Ausmaß der Eutrophierung der Fließgewässer abbildet und als Grundlage für die künftige hessische Maßnahmenplanung bezüglich der trophischen Be- lastung dienen soll. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die statistische Auswertung in Hinblick auf Korrelationen der trophischen Situation mit chemisch-physikalischen Faktoren wie zum Beispiel orthoPhosphat und mit Standortfaktoren wie zum Beispiel „Grad der Beschattung“. Das Vorhandensein bzw. Nicht-Vorhandensein von Korrelation kann zur Identifikation von Be- lastungsfaktoren herangezogen und somit unterstützend für eine effiziente Maßnahmen- planung eingesetzt werden. Die Masterarbeit wird in enger Abstimmung und mit Unterstützung durch das Hessische Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie (Ansprechpartnerin: Frau Dr. Banning) durchgeführt. Die Ergebnisse sind ausführlich und nachvollziehbar darzustellen und zu diskutieren. Die Arbeit ist in dreifacher Ausfertigung und in digitaler Form vorzulegen. Es ist eine ei- desstattliche Versicherung abzugeben, dass die Arbeit selbständig angefertigt und nur die angegebenen Quellen und Hilfsmittel verwendet wurden. Die Ergebnisse sind in einem Kolloquium mit einem kurzen Vortrag von 20 Minuten Dauer vorzustellen. Literatur: Pfister, P., Hofmann, G. und Ehrensperger G. (2016): Fliessgewässer-Phytobenthos - Überar- beitung des Trophie- und Saprobie-Bewertungssystems nach Rott et al. 1999, 1997. Bundesministerium für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft (BMLFUW) Österreichs (Hrsg.), 131 S. Rott, E., Hofmann, G., Pall, K., Pfister, P. und Pipp, E. (1997): Indikationslisten für Aufwuchsalgen. Teil 1: Saprobielle Indikation. Bundesministerium für Land- und Forst- wirtschaft Wien (Hrsg.), 73 S. Rott, E., Pfister, P., van Dam, H., Pall, K., Pipp, E., Binder, N. und Ortler, K. (1999): Indikati- onslisten für Aufwuchsalgen. Teil 2: Trophieindikation, geochemische Reaktion, toxiko- logische und taxonomische Anmerkungen. Bundesministerium für Land- und Forstwirt- schaft Wien (Hrsg.), 248 S. Ausgabetermin: 03.04.2018 Abgabetermin: 02.10.2018 Hannover, den 03.04.2018 PD Dr.-Ing. habil. Christine Helmer-Madhok IV Masterarbeit – Nina Boxen 1. Gutachter: PD Dr.-Ing. habil. Christine Helmer-Madhok 2. Gutachter: Prof. Dr. Thomas Schmid Die vorliegende Arbeit wurde unter der Betreuung von Dr. Mechthild Banning im Hessi- schen Landesamt für Naturschutz, Umwelt und Geologie in Wiesbaden durchgeführt. Masterarbeit – Nina Boxen V Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis ....................................................................IX Tabellenverzeichnis ....................................................................... XIII Gleichungsverzeichnis................................................................. XVII Abkürzungsverzeichnis ................................................................ XIX 1 Einleitung ....................................................................................... 1 2 Diatomeen ...................................................................................... 3 2.1 Systematik und Morphologie der Diatomeen – Klasse der Bacillariophyceae .................................................................................... 3 2.2 Fortpflanzung der Diatomeen .................................................................. 5 2.3 Vorkommen, Lebensweise und ökologische Bedeutung der Diatomeen 6 2.4 Prägende Umweltfaktoren einer Diatomeengesellschaft ......................... 9 2.5 Diatomeen als Bioindikatoren und bestehende Indikationssysteme .......15 3 Bewertung der Fließgewässer anhand der benthischen Diatomeen nach der EU-WRRL .................................................. 19 3.1 Bewertungsverfahren PHYLIB ...............................................................19 3.2 Bewertung der Teilkomponente Diatomeen nach PHYLIB .....................21 3.2.1 Diatomeen-Typologie für Fließgewässer .................................................... 21 3.2.2 Bewertungsmodul „Nährstoffbewertung“ .................................................... 24 3.2.3 Bewertungsmodul „Artenzusammensetzung und Abundanz“ ..................... 26 3.2.4 Bewertungsmodul „Halobienindex“ ............................................................. 28 3.2.5 Bewertungsmodul „Versauerungsanzeiger“ ............................................... 30 3.2.6 Gesamtbewertung der Teilkomponente Diatomeen „Diatomeenindex“ ....... 31 4 Einordnung in den Forschungsstand ........................................ 35 5 Material und Methoden ............................................................... 39 5.1 Datengrundlage: Umfang und Struktur ...................................................39 5.1.1 Datensatz: Biologie inklusive Stammdaten ................................................. 39 5.1.2 Datensatz: Struktur und Landnutzung ........................................................ 44 5.1.3 Datensatz: Chemie .................................................................................... 49 Masterarbeit – Nina Boxen VII Inhaltsverzeichnis 5.2 Statistische Auswertung ........................................................................ 51 6 Ergebnisse und Diskussion ....................................................... 55 6.1 Trophiebewertung ................................................................................. 55 6.1.1 Berechnung der Trophieindizes nach Rott et al. (1999) und Pfister et al. (2016) ........................................................................................................ 55 6.1.2 Trophieindexklassengrenzen für die ökologische Zustandsbewertung im bestehenden System nach Rott et al. (1999) ............................................. 57 6.1.3 Das neue System nach Pfister et al. (2016) ............................................... 67 6.1.4 Trophieindexklassengrenzen für die ökologische Zustandsbewertung im neuen System nach Pfister et al. (2016) .................................................... 73 6.1.5 Fazit zur Trophiebewertung und Empfehlungen......................................... 79 6.2 Statistische Analysen ............................................................................ 81 6.2.1 Vorarbeiten ................................................................................................ 81 6.2.2 Korrelationsanalysen zwischen den Bewertungsindizes der Teilkomponente Diatomeen und dem Datensatz „Struktur- und Landnutzung“ ...........................................................................................