Fresh water is a threatened resource, albeit its unique importance for human well-being. However, independent of human utility considerations, freshwater ecosystems and species have an ethical, intrinsic value of their own. Globally, freshwater ecosystems and their biodiversity are exposed to multiple human stressors, often leading to irreversible alterations of the morphology, hydrology, and ecology of these systems. Understanding human-environment interactions provide insights into the consequences of environmental change on freshwater biodiversity. Such insights play a fundamental role in informing conservation decisions, policy makers and the general public, but also biodiversity related research agendas and policies. Because there are considerable gaps in understanding large-scale spatio-temporal dynamics of freshwater species in response to anthropogenic stressors, in this thesis, I analyzed large-scale freshwater diversity patterns in geographic Europe and evaluated the multifaceted processes that cause biodiversity change. Moreover, I quantified the effects of anthropogenic stressors and natural, geo-climatic drivers on the contemporary patterns of European freshwater biodiversity and evaluated the generality in biodiversity response. Additionally, I analyzed current river basin management strategies – using the Danube River Basin as a case study – in order to support the development and implementation of effective future conservation and management strategies. A comparison of the European freshwater fish fauna (Chapter 1) of the mid-19th century with the contemporary patterns revealed profound, continent-wide changes in the composition of species assemblages, creating taxonomic homogenization (i.e. increase in similarity of species assemblages) among river catchments. The results allowed appraising the opportunities and limits of the calculation of taxonomic similarity change. Translocated species (i.e. species originating from Europe, but not native to the respective study river catchment) were identified as the main drivers of taxonomic homogenization. Indeed, many translocated species, with a native range above a specific threshold (i.e. number of occupied catchments), immediately contributed to taxonomic homogenization when introduced elsewhere, even if they were introduced to a single new catchment. However, translocated species with a range size below the specific threshold attenuated taxonomic homogenization, as most exotic species (i.e. species originating from outside Europe) did. In contrast to the established view, it became evident that the prevention of intended or unintended species introduction will not lower the rate of taxonomic homogenization per se: many species actually cause taxonomic differentiation despite their range gain, but still considerably contribute to taxonomic change with potential negative effects on ecosystem functions and services. Variance partitioning of the effects of anthropogenic stressors and natural, geo-climatic drivers on contemporary distribution patterns of European freshwater biodiversity (Chapter 2) revealed that anthropogenic stressors explained a consistently low degree of variation in biodiversity response patterns (i.e. species richness, taxonomic distinctness, endemicity) of the five groups of European freshwater species studied (i.e. fish, odonates, amphibians, birds, molluscs). However, geo-climatic conditions explained a higher proportion of the variation of biodiversity, suggesting a strong influence of geo-climatic gradients on contemporary biodiversity patterns. Geo-climatic conditions primarily affected species with specialized habitat use and a restricted range of occurrence, but had minor effects on species with high dispersal capacities. The distinct joint effects of geo-climatic and anthropogenic factors on the variation in biodiversity patterns, and the distinct linkages between socio-economic and natural gradients implied that the geo-climatic conditions are providing the context within which anthropogenic stressors operate. Therefore, a combined analysis of geo- climatic conditions and anthropogenic factors is indispensable to understand biodiversity patterns. In addition to species richness and endemicity, taxonomic distinctness was identified as a useful indicator of biodiversity, as it responded consistently to anthropogenic stressors across several taxonomic groups and at large scale. Synthesis of information and data on environmental and climate conditions, topography, land use as well as past and contemporary socio-economic and political features of the Danube River Basin (Chapter 3) depicted various large-scale alterations of the nutrient and sediment regime, the morphology and the species composition, with presumably major, adverse consequences for the functioning of river ecosystems in the entire basin. The principal lack of basic information on ecosystem processes, biodiversity and general environmental descriptors as well as the dispersed nature of available information among different institutional levels, scientific institutions and individual scientists were identified as obstacles hindering proper assessment of the environmental status and decision making towards sustainable management. In addition, the conflicts among economic and environmental issues were found to be highly complex, indicating that the management of a transboundary and diverse basin such as the Danube requires the combined efforts of a wide range of disciplines: a balance between use and protection, a better harmonization and improved synergy of presently disparate objectives, and tight links and feedbacks between science and application (Chapter 4). River basin authorities such as the International Commission for the Protection of the Danube River (ICPDR) were identified as important and useful platforms for dialogue and debate of appropriate goals and their implementation, involvement of stakeholders and the public, but also as “translators” of scientific results. The results of this thesis confirm that most freshwater ecosystems in Europe are far from pristine. Although present scientific knowledge is already sufficient to allow decision makers managing freshwater ecosystems and entire river basins to make competent plans, additional research in better understanding human-environment interactions and predicting the effects of rapid environmental change on the long-term dynamics of freshwater biodiversity is required. Ultimately, further loss of freshwater species and related ecosystem services will only be avoided if tighter synergies among the presently competing targets of e.g. agriculture, food processing, mining industry, navigation, hydro-/thermal power production, flood control and biodiversity conservation are established.
Süßwasser ist, trotz seiner herausragenden Bedeutung für das menschliche Wohlbefinden, eine gefährdete Ressource. Unabhängig von Nutzungen durch den Menschen haben Binnengewässerökosysteme aber auch einen intrinsischen Wert, d.h. dass neben ökonomischen Werten auch ökologische und ethische Aspekte zu berücksichtigen sind. Weltweit sind Binnengewässerökosysteme und deren biologische Vielfalt (im Folgenden: Biodiversität) mannigfaltigem menschlichen Nutzungsdruck ausgesetzt, der in vielen Fällen irreversible Veränderungen der Morphologie, der Hydrologie und der Ökologie dieser Systeme nach sich zieht. Das Verständnis von Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt ist unerlässlich, um Erkenntnisse über die Veränderungen der Biodiversität von Binnengewässern in Folge von Umweltveränderungen zu gewinnen. Diese Erkenntnisse stellen eine unerlässliche Basis zur Entwicklung von Strategien zum Schutz der Biodiversität von Binnengewässern dar; sie sind ferner wichtig, um politische Entscheidungsträger und die Öffentlichkeit zu informieren, sowie um geeignete Forschungsprogramme, Richtlinien und Umweltabkommen zu entwickeln. Es bestehen allerdings nach wie vor deutliche Wissenslücken insbesondere im Verständnis von großräumigen, d.h. globalen und kontinentalen Dynamiken (räumlich wie zeitlich) von Biodiversitätsmustern in Reaktion auf menschlichen Nutzungsdruck. Daher war es das Ziel meiner Arbeit, gesamteuropäische Verteilungsmuster der Biodiversität (Arten) von Binnengewässern zu analysieren, sowie die vielfältigen Prozesse zu ermitteln und zu beurteilen, die die Änderung der Verteilungsmuster bestimmen. Zudem habe ich untersucht, wie einheitlich die Wirkung verschiedener Einflussfaktoren (d.h. menschlicher Stressoren und natürlicher, geo- klimatischer Bedingungen) auf die Verteilungsmuster verschiedener Faunengruppen ist. Einen weiteren Schwerpunkt meiner Arbeit bildete die Untersuchung von derzeitigen Flussgebietsbewirtschaftungsstrategien. Anhand des Donaueinzugsgebiets als Fallbeispiel habe ich Herausforderungen und Chancen aber auch Optionen für die Entwicklung und Umsetzung zukünftiger Bewirtschaftungs- sowie Schutzstrategien diskutiert. Ein Vergleich zeitgenössischer Verteilungsmuster der europäischen Binnengewässerfischfauna mit historischen Verteilungsmustern aus der Mitte des neunzehnten Jahrhunderts (Kapitel 1) zeigte für den gesamten Kontinent tiefgreifende Änderungen in der Zusammensetzung von Artengemeinschaften, die zu taxonomischer Homogenisierung, d.h. einer Zunahme der Ähnlichkeit der Artenzusammensetzung unter den untersuchten Flusseinzugsgebieten, führte. Die Ergebnisse ermöglichten es, Stärken und Schwächen der Ermittlung von Änderungen der taxonomischen Ähnlichkeit einzuschätzen. Es zeigte sich, dass translozierte Arten (d.h. in Europa heimische Arten, die im jeweils untersuchten Flusseinzugsgebiet historisch nicht vorkamen) maßgeblich zur taxonomischen Homogenisierung beitrugen. Eine große Anzahl der translozierten Arten, deren natives Verbreitungsgebiet über einem spezifischen Schwellenwert lag, d.h. deren Verbreitungsgebiet eine bestimmte Anzahl an Flusseinzugsgebieten überstieg, trugen selbst dann zur taxonomischen Homogenisierung bei, wenn sie in nur ein einziges weiteres Einzugsgebiet eingebracht wurden. Im Gegensatz hierzu schwächten translozierte Arten, deren natives Verbreitungsgebiet unter dem spezifischen Schwellenwert lag, sowie auch die meisten exotischen Arten (d.h. Arten, die aus einem Gebiet außerhalb Europas stammen) die taxonomische Homogenisierung ab. Abweichend von der gängigen Sicht wurde deutlich, dass taxonomische Homogenisierung sich nicht durch die Verhinderung von beabsichtigtem oder versehentlichem Verschleppen von Arten verringern wird: viele eingeschleppte Arten tragen zu einer taxonomischen Differenzierung bei, trotzdem sie in ihrem durch die Verschleppung vergrößerten Verbreitungsgebiet die Artenzusammensetzung ändern, was wiederum negative Auswirkungen auf das Funktionieren von Ökosystemen und auf Ökosystemleistungen haben kann. Die Varianz-Partitionierung von Auswirkungen menschlicher Stressoren und natürlicher, geo-klimatischer Faktoren auf aktuelle Verteilungsmuster der Biodiversität der Binnengewässer in Europa (Kapitel 2) zeigte, dass menschliche Stressoren einen durchgehend niedrigen Anteil der Variation in den Mustern der Biodiversität (bezüglich Artenreichtum, taxonomischer Verschiedenheit und Endemismus) der untersuchten Binnengewässerfauna (d.h. Fische, Libellen, Amphibien, Vögel, Mollusken) erklären. Dagegen erklärten geo-klimatische Faktoren einen höheren Anteil an der Varianz in den Mustern der Biodiversität, was auf einen hohen Einfluss von geo-klimatischen Gradienten auf die Biodiversität schließen lässt. Geo-klimatische Bedingungen wirkten sich besonders stark auf Arten mit kleinem Verbreitungsgebiet und speziellen Lebensraumansprüchen aus, zeigten jedoch einen geringen Effekt auf Arten mit großem Verbreitungsgebiet. Vor allem die ermittelten gemeinsamen Effekte von geo-klimatischen und menschlichen Faktoren auf die Variation in den Verteilungsmustern der Biodiversität, sowie die ausgeprägten Zusammenhänge zwischen sozio-ökonomischen und natürlichen Gradienten, legten den Schluss nahe, dass geo-klimatischen Faktoren den Kontext liefern, innerhalb dessen menschliche Stressoren wirken. Daher ist eine kombinierte Analyse von geo- klimatischen Bedingungen und menschlichen Stressoren unumgänglich, um Verteilungsmuster der Biodiversität zu verstehen. Zusätzlich zum Artenreichtum und zum Endemismus hat sich die Ermittlung der taxonomischen Verschiedenheit als ein nützlicher Biodiversitätsindikator erwiesen, da diese Auswirkungen menschlicher Stressoren über Faunengrenzen hinweg kohärent und auf kontinentaler Ebene anzuzeigen vermag. Das Zusammenstellen von Informationen und Daten zu natürlichen Charakteristika wie Klima und Umwelt, zur Hydrologie und Landnutzung, sowie historischen als auch gegenwärtigen sozioökonomischen und politischen Besonderheiten des Donaueinzugsgebiets (Kapitel 3) verdeutlichte die vielfältigen, großräumigen Veränderungen des Nährstoff- und Sedimenthaushalts, der Morphologie und der Artenzusammensetzung, mit vermutlich weitreichenden, nachteiligen Konsequenzen für die Funktionsfähigkeit von Ökosystemen im gesamten Einzugsgebiet. Das prinzipielle Fehlen grundlegender Informationen bezüglich ökosystemarer Prozesse, der Artenvielfalt wie auch allgemeiner Umweltdeskriptoren, aber auch die Zersplitterung verfügbarer Informationen auf verschiedene institutionelle Ebenen, wissenschaftliche Institute und einzelne Wissenschaftler erwiesen sich als Hindernisse bei der Ermittlung des Umweltzustandes wie auch der Entscheidungsfindung im Rahmen nachhaltiger Flussgebietsbewirtschaftung. Zudem erwiesen sich die Zielkonflikte zwischen wirtschaftlichen Interessen und ökologischen Aspekten als vielschichtig, was verdeutlichte, dass die Bewirtschaftung eines mehrfach grenzüberschreitenden und derart internationalen und facettenreichen Einzugsgebietes wie der Donau der vereinten Bemühungen vieler Disziplinen bedarf: einer Balance zwischen Nutzung und Schutzmaßnahmen, einer verbesserten Harmonisierung und stärkeren Synergien gegenwärtig unvereinbarter Zielvorstellungen, sowie einer engeren Zusammenarbeit und Rückkopplung zwischen Wissenschaft und Anwendung (Kapitel 4). Flussgebietsverwaltungen, wie zum Beispiel die Internationale Kommission zum Schutz der Donau (IKSD), wurden als wichtige und nützliche Plattformen identifiziert, um geeignete Zielvorstellungen und deren Umsetzung abzustimmen, Interessensgruppen und die Öffentlichkeit einzubinden, und zudem als „Übersetzer“ von wissenschaftlichen Ergebnissen zu dienen. Die Ergebnisse meiner Arbeit bestätigen, dass die meisten europäischen Binnengewässer und deren Ökosysteme stark durch menschliche Eingriffe überformt sind. Obwohl der gegenwärtige Stand der Forschung ausreicht, um Entscheidungsträger einzelner Ökosysteme und auch ganzer Flussgebiete kompetent zu beraten, besteht weiterer Forschungsbedarf, um die Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt besser zu verstehen, und ferner, um Auswirkungen sich rasch ändernder Umweltbedingungen auf die langfristigen Dynamiken der Biodiversität von Binnengewässern zu prognostizieren. Letztendlich wird ein weiterer Verlust der Biodiversität von Binnengewässern und zugehörigen Ökosystemleistungen nur zu verhindern sein, wenn es gelingt, Synergien zwischen derzeit divergierenden Zielvorstellungen von Sektoren wie Landwirtschaft, Nahrungsmittelindustrie, Bergbau, Schifffahrt, Wasser- und Wärmekraftnutzung, Hochwasser- und Biodiversitätsschutz zu stärken.
