The ecological carrying capacity of a lowland river section for boating tourism

Abstract

Freshwater ecosystems constitute one of the most important resources for human civilization. Thereby, self-purification capacity constitutes one of the key ecosystem services provided by those systems which is particularly relevant in polluted water bodies serving multiple societal uses. Especially in lowland rivers, a significant proportion of this self-purification capacity can be contributed by the filter feeding activity of freshwater mussels. By the filtration process, organic matter is transferred from the water column to the sediment, and thus gets available to the benthic food web. However, it is hardly known to which extent self-purification activity provided by mussels may be influenced by human uses of the water body, such as recreational boating activities. Within this thesis, I studied the eutrophic lowland river section Krumme Spree (Brandenburg, Germany) that is substantially used for recreational purposes, and aimed to identify the maximal sustainable extent of human use that does not affect self-purification activity provided by mussels. I recorded the filtration activity of native mussel species (Anodonta anatina, Unio tumidus, and Unio pictorum) in field experiments under various boating impact situations, and modeled the disturbance to mussels caused by wave action induced from recreational boating. Moreover, laboratory experiments with invasive species (Dreissena polymorpha, Dreissena bugensis, and Corbicula fluminea) were performed in a wave tank in order to determine their susceptibility to wave disturbances. In all studied mussel species, filtration activity was significantly affected by shear stress produced by wave disturbance. Increasing shear stress caused interruption of filtration activity, following sigmoid response patterns for both the duration and the degree of shell closing. The sigmoid response curves allowed threshold values for shear stress to be derived, indicating zero to moderate effects on filtration activity. Thereby, the native species showed relatively low threshold values for the starting of shell closing in combination with either the longest duration of shell closing (A. anatina) or the highest degree of shell closing (U. tumidus and U. pictorum), and thus turned out to be more susceptible to wave disturbance than two invasive species. The invasive species D. bugensis and C. fluminea were still able to filtrate under wave impacts while D. polymorpha did not differ significantly in any of the studied susceptibility parameters from the respective range covered by native species. Thus, D. bugensis and C. fluminea seem to be pre-adapted to hydraulic or morphological disturbance and may compensate other losses of this important ecosystem function in rivers intensively used for inland navigation. The coupled hydraulic-ecological modeling approach presented in this thesis showed that typical boating activity on the Krumme Spree river section may reduce self-purification activity by mussels, with the extent of disturbance depending on mussel species, river depth, boating frequency, and cruising speed. However, self-purification activity of this lowland river section is not significantly affected under present day conditions, while substantial effects are to be expected under reduced river flow conditions. The developed coupled hydraulic-ecological modeling approach also enables the estimation of the ecological carrying capacity of this river section for sustainable boating tourism which still allows the preservation of water quality. This estimated ecological carrying capacity significantly decreases with lower river discharge during summer. A comparison of the estimated ecological carrying capacity with the social carrying capacity revealed that at water levels of more than 170 cm, boating tourism is limited first by social and spatial aspects, while at water levels of less than 170 cm boating tourism is limited first by ecological values. Thus, the coupled hydraulic-ecological modeling developed here enables to identify mitigation strategies that may contribute to the preservation of surface waters.

Süßwasser-Ökosysteme stellen eine der bedeutendsten Ressourcen auf der Erde dar. Die Selbstreinigungsfähigkeit dieser Systeme ist dabei eine der wichtigsten Ökosystem-Dienstleistungen, die vor allem in verunreinigten und vielfach genutzten Gewässern von Bedeutung ist. Ein erheblicher Anteil dieser Selbstreinigungsfähigkeit wird in Tieflandflüssen über die Filtrationsaktivität von Muscheln erbracht. Während der Filtration wird organisches Material aus der Wassersäule entfernt und dem Sediment zugeführt, wo es dann dem benthischen Nahrungsnetz zur Verfügung steht. Es ist jedoch bisher kaum bekannt, in welchem Ausmaß die Selbstreinigungsaktivität von Muscheln durch Nutzungen der Gewässer wie z.B. den Bootstourismus beeinflusst wird. In der vorliegenden Arbeit habe ich daher einen touristisch genutzten Flussabschnitt der Krummen Spree (Brandenburg, Deutschland) untersucht, um die maximale touristische Nutzung mit Booten zu ermitteln, welche die Filtrationsaktivität von Muscheln noch nicht beeinträchtigt. Dafür habe ich die Filtrationsaktivität heimischer Muschelarten (Anodonta anatina, Unio tumidus, Unio pictorum) in Feldversuchen ermittelt und daraus aufbauend die Störung der Tiere durch bootsbedingten Wellenschlag modelliert. Zusätzlich habe ich Laborversuche mit invasiven Arten (Dreissena polymorpha, Dreissena bugensis, Corbicula fluminea) in einem Wellenbecken durchgeführt, um deren Anfälligkeit gegenüber Wellenstörungen zu ermitteln. Die Filtrationsaktivität aller untersuchten Muschelarten wurde durch die von Wellen verursachte Sohlschubspannung signifikant beeinflusst. Ansteigende Sohlschubspannungen verursachten Unterbrechungen der Filtration, die sowohl hinsichtlich der Dauer als auch des Grads des Schließens der Schalen mit sigmoiden Reaktionsmustern erklärt werden konnten. Basierend auf den sigmoiden Reaktionssmustern konnten Grenzwerte für die Sohlschub-spannungen ermittelt werden, die keine bzw. nur moderate Auswirkungen auf die Filtration verursachen. Dabei zeigten die heimischen Muschelarten im Verhältnis relativ niedrige Schwellenwerte für den Beginn des Schalenschließens in Kombination mit entweder der höchsten Schließdauer der Schalen (A. anatina) oder dem höchsten Schließgrad der Schalen (U. tumidus und U. pictorum). Diese Arten sind somit empfindlicher gegenüber Wellenbelastung als die invasiven Arten D. bugensis und C. fluminea. Diese waren auch unter Wellenbelastung noch in der Lage zu filtrieren, während D. polymorpha sich nicht signifikant von den heimischen Arten unterschied. D. bugenis und C. fluminea scheinen daher an hydraulische Störungen adaptiert zu sein und können durch ihre Präsenz die Verringerung der Selbstreinigungsaktivität in für die Schifffahrt genutzten Gewässern kompensieren. Mittels des hier erstellten hydro-ökologischen Modellierungsansatzes konnte gezeigt werden, dass durch das typische Bootsaufkommen in der Krummen Spree die Selbstreinigungsaktivität in Abhängigkeit von der Muschelart, der Gewässertiefe, Häufigkeit von Bootspassagen und der Fahrgeschwindigkeit reduziert wird. Unter den aktuell herrschenden Umwelt- und Nutzungsbedingungen fällt diese Minderung nur gering aus, allerdings können bei einer Verringerung der Wasserführung im Sommer, etwa durch Klimawandel, oder einer Zunahme des Bootsaufkommens wesentliche Auswirkungen auf die Selbstreinigungskapazität entstehen. Mittels der hydro- ökologischen Modellierung konnte außerdem die ökologische Tragfähigkeit dieses Flussabschnittes für den Bootstourismus berechnet werden. Diese ökologische Tragfähigkeit nahm mit sinkenden Wasserständen signifikant ab. Ein Vergleich mit der ebenfalls berechneten sozialen Tragfähigkeit des Flussabschnitts hat gezeigt, dass ab Wasserständen unter 170 cm die ökologische Tragfähigkeit gegenüber sozialen Aspekten an Bedeutung gewinnt. In solchen Fällen können über die hydro-ökologische Modellierung Anpassungsstrategien identifiziert werden, die sowohl den Bootstyp, Uferabstand als auch die Geschwindigkeit der fahrenden Boote berücksichtigen.