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Anthropogenic influence on nutrient dynamics in the Kihansi River ecosystem, Tanzania
Radhia Juma Ideva
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Lebenswissenschaften
Betreuer*in
Friedrich Schiemer
DOI
10.25365/thesis.14116
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29683.95787.720559-1
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Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Ökosystem des Kihansi Flusses bietet, wie andere Flüsse weltweit, verschiedenste Möglichkeiten der Nutzung – unter anderem auch als Habitat für verschiedenste Lebensgemeinschaften (einige Arten davon gelten als endemisch), Nutzung der Wasserkraft, Landwirtschaft und als Transportmittel zu Gebieten flussabwärts. Besonders der untere Teil des Einzugsgebietes gilt durch den anthropogenen Einfluss als gefährdet, wobei hier sowohl Landwirtschaft aus den oberen Teilgebieten und Nutzung der Wasserkraft im unteren Flusslauf vor der Kihansi Schlucht eine entscheidende Rolle spielen.
Die Studie untersucht den Einfluss von Veränderungen in der Landnutzung, Nutzung der Wasserkraft und Hydrologie auf die N- und P-Konzentration sowie deren Export, weiters den Einfluss von veränderter Nährstoffzufuhr auf die Produktivität des Kihansi Stausees. Insbesondere wurde die Wasserqualität des Kihansi Flusses vor und nach der Errichtung des Dammes gemessen. Daten zu Nährstoffgehalt, Primärproduktion und Respiration wurden oberhalb und unterhalb des Dammes erhoben, um Aussagen über Veränderungen in der Nährstoffkonzentration treffen zu können. Des weiteren wurde die Frage des Einflusses von Landwirtschaft, Wasserkraft und Hydrologie (Jahreszeiten) auf den Nährstoffexport behandelt. Um die Empfindlichkeit des Reservoirs auf erhöhte N-Konzentration zu beurteilen, wurde anhand eines zusätzlichen N-Experimentes die bakterielle Sekundärproduktion und Abundanz ermittelt
Die Ergebnisse zeigten einen Anstieg der Leitfähigkeit von 37,5% während der pH-Wert um 9,85% anstieg im Vergleich zu der Zeit vor der Errichtung des Dammes. Die erhobenen Daten zeigten keinen signifikanten Unterschied der P–Konzentration oberhalb und unterhalb des LKHP Dammes. Es konnnten allerdings erhöhte Werte von NO3-N im Zuflussgebiet oberhalb des Dammes gemessen werden. Allgemein zeigte der Kihansi Fluss ein niedriges N:P Verhältnis. N kann als limitierender Faktor für die Primärproduktion angesehen werden, auch die beobachtete geringe Primärproduktivität im Vergleich zur Respiration könnte sich auf die geringe Verfügbarkeit von N zurückführen lassen.
Auf der anderen Seite bedingen landwirtschaftliche Aktivitäten bis zu 70% der Gesamtkonzentration gelösten Stickstoffes, im Verglichen zu Waldgebieten mit bis zu 43%. Die erhöhte Konzentration von NO3-N während der Trockenzeit steht im Zusammenhang mit der Auswaschung von Düngemitteln, die letzlich durch Grundwasseranreicherung in das Flusssystem während Niedrigwasser eingeschwemmt werden.
Es konnte beobachtet werden, dass Verdünnungseffekte in Waldgebieten die Nährstoffkonzentration im Boden maßgeblich beeinflussen. In landwirtschaftlich genutzten Gebieten zeigt die positive Beziehung von TN und Abfluss eine Aktivierung des Bodens an, während für NO3-N ein Verdünnungseffekt vorliegt. Für gelöste Formen von Stickstoff liegt der NO3-N Export in landwirtschaftlich genutzten Gebieten von 0,20 bis 1,65 kg ha-1 yr-1.. In Waldgebieten hingegen läßt sich ein Export von 0,02 bis zu 0,97 kg ha-1 yr-1 feststellen. Der Kihansi Stausee agiert dabei als Nährstoffsenke – die Konzentration an Stickstoff verringert sich auf dem Weg zum Abschnitt unterhalb des LKHP Dammes.
Derzeit gilt der Kihansi Stausee als oligotrophes Gewässer, zunehmender N-Eintrag könnte allerdings eine Veränderung dieses N-limitierten Ökosystems bedeuten. Heterotrophe Produktion dominiert den Stausee derzeit, welcher sich durch erhöhte sekundäre bakterielle Produktion gegenüber dem Flusslauf auszeichnet. Allerdings ist sekundäre bakterielle Produktion ebenfalls N–limitierend, da eine Erhöhung der N – Konzentration stimulierend wirkt.
Allgemein lässt sich feststellen, dass der Stausee empfindlich gegenüber Veränderungen der N– Konzentration ist. Ausgehend von dem derzeit nierigen N:P Verhältnis in diesem Ökosystem, ist mit einer Veränderung der Produktivität und des trophischen Status bei Erhöhung der N–Konzentration zu rechnen. Daher muß die Betonung auf bestmöglichem landwirtschaftlichem Management liegen um eine Erhöhung gelösten, anorganischen Stickstoffes im Wasserkörper zu vermeiden. Möglichkeiten müssen gefunden werden um die Nährstoffkonzentration zu verringern und den Export derselben zu den aquatischen Lebensgemeinschaften unterhalb des Staudammes zu vermeiden.
Abstract
(Englisch)
Rivers provide various ecosystem services including habitat for aquatic communities, nutrient processing and material transport from upstream to downstream areas of their catchments. The changes in environmental conditions due to anthropogenic disturbances consequently affect river ecosystem health ultimately jeopardising the ecosystem services provided. Evaluation of the ecological conditions is crucial due to the fact that some of the effects of degradation take some time until they are noticed. Application of functional indicators including nutrient processes and aquatic productivity in assessing the state of resources in response to land use changes and anthropogenic pressure is imperative.
The agriculture and hydropower production are important economic activities in Tanzania. While 75% of the country population depend on agriculture as their main economic activity, hydro electric power contributes to 60% of the country power supply. The Kihansi River has dual importance. Economically, the river provides water for hydropower production. Ecological importance of this river include provision of habitat for flora and fauna (some of which endemic), nutrient processing and transport. However, the river is vulnerable to anthropogenic perturbation resulting from agriculture and hydropower production in the upper and lower parts of the catchment respectively.
The goal of the study is to understand the impact of anthropogenic activities and pressure on nutrient in the Kihansi River ecosystems. Therefore, this study investigated the influence of changes in land use, effects of a reservoir and of hydrology on N and P concentration and export. In addition, the ecosystem’s response to changes in nutrient concentration particularly, on the productivity of the Kihansi reservoir was assessed. Specifically, the water quality status of the Kihansi River before and after the construction of the dam was examined. The nutrient conditions, primary production and respiration were measured both upstream and downstream of the dam to assess the influence of the dam on nutrient concentrations. The influence of agricultural activities on nutrient export from catchment areas was also investigated. In order to assess the sensitivity of the reservoir on elevated N concentration, bacterial secondary production and abundance was determined in an N addition experiment.
Results show that the electrical conductivity and the pH values measured in the river section before construction and after 5 years of the hydropower dam operation showed an increase of 38% and 10% respectively. The increase was associated with increased water residence time in the reservoir compared to the previously free flowing stretch of the river. The data indicate no significant differences in P concentrations upstream and downstream of the LKHP dam. However, elevated concentration of NO3-N was observed in the Kihansi River inflowing to the reservoir compared to the River section downstream the LKHP dam. In general the Kihansi River showed low N: P ratio indicated N limitation. This suggest that the observed low primary productivity compared to respiration was attributed to limited availability of N.
Generally, low variability in P concentration among the land use types and seasons suggests demand for N in the Kihansi catchment. For the N fractions, the results show that NO3-N constitutes about 70% of the sum of dissolved inorganic nitrogen fraction in agricultural areas compared to 43% in forested area. This observation is attributed to agricultural activities especially the use of N fertilizers. In general a dilution effect was the major control factor for the concentration and consequently exports of all nutrient forms in forested area. In the agricultural areas, the concentration-discharge relationship for TN and NO3-N suggests soil activation and dilution effect during high flows, respectively. The observed higher concentration of NO3-N during dry season was associated with fertiliser leaching from agricultural soils, which was ultimately brought to the river through groundwater recharge during low flow. The mean NO3-N export in agricultural areas ranged from 0.20 to 1.65 kg ha-1 yr-1. In forested area the mean export of NO3-N ranged from 0.02 to 0.97 kg ha-1 yr-1. A lower N export was observed downstream of the Lower Kihansi hydropower dam compared to the Kihansi River upstream the Kihansi reservoir. This suggests that the latter is a nutrient sink reducing N export to the river reaches downstream areas of the LKHP dam.
Currently, the Kihansi reservoir is although continued N input can result in a changing status of this N limited ecosystem. Heterotrophic production dominates the reservoir, which is attributed to a more elevated bacterial secondary production compared to riverine sites. However, bacterial secondary production is also N limited evidenced by the stimulated C production after N addition. Due to the N retention nature of the reservoir, agricultural intensification in this river catchment will consequently increase dissolved N input into the reservoir therefore change in aquatic ecosystem function is inevitable.
Given the low N:P ratio of this River ecosystem, there is a potential for an increase in secondary productivity in the case of N enrichment. As a result increase in oxygen demand and associated consequences are inevitable. Therefore the application of the best agricultural management practices needs to be emphasized in order to prevent a further increase in dissolved inorganic N concentration and export from agricultural areas of this catchment. Continuous monitoring of nutrient loading to the reservoir from the catchment is crucial because it will enable for a timely identification of the sources of nutrient to enable the application of proper management actions. The relationship between a decrease in nutrient concentration and export to the aquatic communities downstream of the Kihansi hydropower dam need is recommended.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
hydropower dam agriculture land use nitrogen phosphorus concentrations export bacterial secondary production bacterial abundance tropical Kihansi River reservoir catchment
Schlagwörter
(Deutsch)
Wasserkraft Staudamm Landwirtschaft Landnutzung Stickstoff Phosphor-, Nährstoff-Konzentrationen Export bakterielle Sekundärproduktion bakterielle Fülle tropisch Kihansi Fluss Stausee Einzugsgebiet Tansania
Autor*innen
Radhia Juma Ideva
Haupttitel (Englisch)
Anthropogenic influence on nutrient dynamics in the Kihansi River ecosystem, Tanzania
Paralleltitel (Deutsch)
Anthropogenen Einflusses auf Nährstoffdynamik im Kihansi River Ökosystem, Tansania
Publikationsjahr
2011
Umfangsangabe
81 Bl. : graph. Darst., Kt.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Leopold Füreder ,
Michael McClain
AC Nummer
AC08550094
Utheses ID
12672
Studienkennzahl
UA | 091 | 444 | |