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Effects of bank and channel morphology on the sediment quality of agricultural first-order streams

Bernadette Teufl

Art der Arbeit

Diplomarbeit

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Lebenswissenschaften

Betreuer*in

Thomas Hein

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DOI

10.25365/thesis.23521

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-29728.85476.350170-9

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Im Nordosten Österreichs befindet sich das Weinviertel, welches sich durch intensive landwirtschaftliche Nutzung auszeichnet. Die meisten Fließgewässer, erster und zweiter Flussordnungszahl, wurden begradigt und weisen daher ein V-förmiges Profil mit steilen Ufern auf. Aufgrund der hohen Nährstoffbelastung bei gleichzeitig geringen Wasserführungen, sowie der intensiven Regulierungs- und Drainagetätigkeiten sind diese Bäche stark beeinträchtigt. Weiters wurden diese Gewässer ihrer Gehölzpufferstreifen beraubt, wodurch die Belastung durch Erosion aus der landwirtschaftlichen Umgebung, lokal und sogar flussabwärts der Eintragsstelle, verstärkt wurde. Daher war das Ziel dieser Studie, die Effekte von Ufer- und Bachbettrenaturierung auf die Sedimentqualität von stark nährstoffbelasteten Bächen in landwirtschaftlichem Einzugsgebiet zu untersuchen. Natürliche und renaturierte, bewaldete Bachabschnitte wurden mit degradierten Bachabschnitten verglichen. Die Untersuchungsgewässer waren der Hipples Bach, der Stützenhofner Graben, der Stronsdorfer Graben, der Herbertsbrunngraben, sowie der Herrnbaumgartner Graben. Die degradierten Bachabschnitte unterschieden sich von den bewaldeten Bachabschnitten durch fehlende Ufervegetation, sowie durch eine homogene Bachbettmorphologie. Untersucht wurden die Korngrößen, der Nährstoffgehalt und der Anteil des organischen Materials im Sediment der verschiedenen Bachabschnitte. Weiters wurde die räumliche und saisonale Variabilität der Sedimentqualität, sowie die Effekte einer bewaldeten Strecke auf flussabwärts gelegene, degradierte Bachabschnitte an drei Fallbeispielen untersucht. Um mögliche erhöhte Einträge nach Düngeraufbringung festzustellen, wurden die Sedimentproben in obere und untere Schichten unterteilt. Als Folge einer Sedimentqualitätsänderung kann man auch eine Reaktion in der benthischen, mikrobiellen Respiration erwarten, einer zentralen Ökosystemfunktion von Fliessgewässern. Die benthische, mikrobielle Respiration wurde als Konzentrationsunterschied im gelösten Sauerstoff in einem Laborversuch ermittelt. Der Respirationsversuch wurde mit Sedimenten des Hipples Baches, des Stützenhofner Grabens und des Stronsdorfer Grabens durchgeführt. Diese Untersuchung hat gezeigt, dass der Effekt bewaldeter Ufergehölzstreifen auf die Sedimentqualität stark belasteter, landwirtschaftlicher Bäche gering ist. Bezüglich der hydromorphologischen Parameter unterschieden sich die Gewässer mit und ohne Ufergehölzstreifen hauptsächlich in der Anzahl der Strömungshindernisse, sowie in der Fläche der Stillwasserbereiche. Generell wies das Sediment dieser Bäche sehr geringe Korngrößen, mit 50 µm im Durchschnitt auf. Daher kann man davon ausgehen, dass ein Großteil der Sedimente durch Erosion aus dem direkten Umland eingetragen wurde. Eine Verbesserung in der durchschnittlichen Korngröße, in den bewaldeten Strecken, konnte nicht nachgewiesen werden, allerdings wurde eine größere Korngrößenvariabilität festgestellt. Höchste Sedimentnährstoffkonzentrationen (Totalphosphor: 1476 µg g-1 Trockensediment, N-NO3: 3,7 µg g-1 Trockensediment) wurden in den verbreiterten, deradierten Bachstrecken ermittelt, allerdings konnten signifikante Unterschiede zu den bewaldeten Bachabschnitten nur bei den Phosphorfraktionen nachgewiesen werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das feine Sediment in den verbreiteten, degradierten Schilfstrecken akkumuliert wird und dadurch auch die gemessenen Phosphorkonzentrationen, aufgrund des partikelgebundenen Phosphors, höher lagen. Im Gegensatz dazu wird das feine Sediment in den kanalisierten, degradierten Stecken eher abtransportiert, was durch die größeren Krongrößen und die geringeren Nährstoffkonzentrationen bestätigt wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Sedimentstruktur und –zusammensetzung hauptsächlich eine Funktion des Partikeltransports sowie der Retention des entsprechenden Bachabschnittes darstellt. Eine Ursache für die geringen Effekte der Ufergehölzstreifen auf die Sedimentqualität, liegt in der Kleinräumigkeit, sowohl in der Breite als auch in der Länge, der bewaldeten Strecken. Weiters zeichnen sich diese Restaurationsstrecken durch ein mangelhaftes Design der Ufergehölzstreifen aus. Vor allem die Lücken in den Ufergehölzstreifen sowie die Umgehung der Gehölzstreifen durch Drainagerohre beeinflusst deren Effektivität und dadurch können diese Puffer der starken Belastung durch die Landwirtschaft im direkten Umfeld nicht standhalten. Signifikante Verbesserungen in der Sedimentqualität können daher nur durch Maßnahmen auf Ebene des Einzugsgebietes erreicht werden. Zunächst müssen Erosionshotspots und Eintragspfade des erodierten Materials ausfindig gemacht werden. Weiters müssen Strukturen zum Rückhalt der erodierten Erde, wie zum Beispiel Retentionsbecken oder effiziente Gehölzpufferstreifen, geschaffen werden. Besonders Maßnahmen zur Verringerung der Erosion sowie der Nährstoffbelastung in der direkten Umgebung der Bäche sind notwendig. Durch landwirtschaftliche, sogenannte „best management practices“ könnte dies gewährleistet werden. Um effiziente Restauration landwirtschaftlicher Bäche zu sichern, ist Monitoring der Maßnahmen und deren Effekte auf das Bachökosystem notwendig. Eine leicht veränderte Version dieser Arbeit wurde bereits im Journal „Environmental Science and Pollution Research“ publiziert (Teufl et al., 2012).

Abstract

(Englisch)

In the north-east of Austria, characterized by intensive agricultural land use, most low-order streams are straightened and feature steep V-shaped profiles. Due to high nutrient loading and intense regulation and drainage works, most of the low-order streams are heavily impacted there. Further stream degradation deprives streams of buffers against erosion from the agricultural surrounding and may deteriorate the situation locally and even downstream. Therefore the aim of the study was to investigate the effects of bank and channel restoration on the sediment quality of already nutrient-enriched agricultural headwater streams. Natural and restored forested stream reaches were compared to degraded stream reaches. Degraded stream reaches differed from other reaches by a lack of riparian vegetation and more homogeneous stream morphology. The stream reaches were investigated with respect to sediment grain size, nutrient concentrations and organic matter content. Furthermore, we determined the spatial and seasonal variability of sediment quality and the impact of forested reaches on down-stream reaches in three case studies. Upper and lower sediment layers were compared to identify increased input after manure application. As sediment quality changes, a change in benthic microbial respiration can be expected as a functional response of the stream ecosystem. Therefore we determined benthic microbial respiration via the change in dissolved oxygen concentrations in laboratory assays. This study shows that the effect of forested riparian buffers on sediment quality of heavily impacted agricultural low-discharge streams is small. Due to spatially limited restoration reaches and their poor design, their effects on nutrient concentrations and the depth profile are limited. Continuous forested riparian buffers, that are not bypassed, could increase sediment quality. However, significant improvements in sediment composition and structure can only be achieved by additional measures at catchment scale to reduce erosion and loading. Therefore, hotspots of erosion and pathways of soil have to be identified. Retention basins and buffer strips have to be applied and agricultural best management practices are vital in the adjacent surrounding of the streams. To ensure an efficient restoration, these measures and their effect on stream ecosystems have to be monitored. A slightly different version of this thesis has already been published in the journal of Environmental Science and Pollution Research (Teufl et al., 2012).

Autor*innen

Bernadette Teufl

Haupttitel (Englisch)

Effects of bank and channel morphology on the sediment quality of agricultural first-order streams

Paralleltitel (Deutsch)

Effekte der Ufer- und Bachbettmorphologie auf die Sedimentqualität landwirtschaftlicher Bäche erster Flussordnung

Publikationsjahr

2012

Umfangsangabe

82 S. : Kt.

Sprache

Englisch

Beurteiler*in

Thomas Hein

Klassifikation

42 Biologie > 42.93 Limnologie

AC Nummer

AC10498895

Utheses ID

21032

Studienkennzahl

UA | 444 | | |

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