The effect of large wood on river physical habitat and nutritional dynamics

Abstract

There is a need for the exploration and validation of the mechanisms regulating the relationship between ecosystem structure and function. This thesis investigates how large wood (LW), wood pieces over 1 m long and 10 cm in diameter, causes cascading changes in physical habitat, availability and nutritional quality of food resources, and consumer communities. The thesis reports on four related research projects: Chapter 2 surveys the National River Restoration Inventory (NRRI) database and demonstrates that wood is predominantly used as deflectors in lowland rural restorations. Chapter 3 examines habitat diversity in the field, around wood of different complexity in four rivers, and suggests that while all wood introduces habitat heterogeneity to the river, deflectors have a limited effect on heterogeneity compared to naturally-occurring wood and semi-natural large wood used in some restorations. Combined, this suggests deflectors may be limiting the potential of wood restoration projects. Chapter 4 examines the potential for wood to mitigate flood disturbance by hydropower plants (“hydropeaking”) on periphyton. This study demonstrates how hydropeaking can scour both periphyton biomass and nutritional quality, while wood mitigates this loss. This is the first study to suggest a nutritional limitation on consumer communities downstream of hydropower plants, and that wood may provide a structural compensation to mitigate these effects on the trophic base. Chapter 5 demonstrates how the presence of large wood increases the availability of various food resources, resulting in an altered, more diverse and productive macroinvertebrate community. Primarily, wood affects the trophic base by providing high-nutritional quality periphyton/bryophytes growing on wood, and by providing a superior position for filter-feeding taxa such as for net- spinning caddisflies. This thesis demonstrates how ecological structure, particularly large wood, can alter ecological function through bottom-up biochemical pathways, and stresses the importance for a nutritional perspective to food webs.

Es ist notwendig die Regulationsmechanismen zwischen der Ökosystemstruktur und ihrer Funktion zu erkunden und zu validieren. Dieser Studie liegt die Frage zugrunde, wie große Hölzer, von bis zu 1m Länge 10cm Durchmesser, nachfolgende Veränderungen im physikalischen Lebensraum, in der Verfügbarkeit und Qualität von Nahrungsressourcen, und in Verbrauchergemeinschaften verursachen. Die Arbeit beruft sich auf vier, einander zugehörige Forschungsprojekte: Kapitel 2 untersucht das Inventar zur Nationalen Flussrenaturierung (National River Restoration Inventory), und stellt dar, wie großes Holz überwiegend als Deflektor in der Restaurierung von ländlichem Tiefland genutzt wird. Kapitel 3 untersucht die Vielfalt des Habitats, in diesem Fall Hölzer unterschiedlichen Umfangs aus insgesamt vier Flüssen. Die Ergebnisse zeigen, dass zunächst alle Hölzer für die Habitatvielfalt der Flüsse förderlich sind. Verglichen mit dem Einsatz von natürlich vorkommenden und naturnahen Hölzern in der Flussrestaurierung, haben Deflektoren allerdings nur einen begrenzten Einfluss auf die Lebensraumheterogenität. Im vierten Kapitel wird die Schadensminimierung bei Überschwemmungen durch den Einsatz von Holz und dem sogenanntem „Hydropeaking“ geprüft. Dabei soll der drohende Wasserstau durch Periphyton gehalten werden. Das Forschungsprojekt weist auf, dass „Hydropeaking“ die Biomasse von Periphyton und Nährstoffqualität verringert, Holz diesen Effekt aber abschwächt. Dies ist eine der ersten Studien, die eine Nahrungseinschränkung für Verbraucher stromabwärts der Wasserkraftwerke empfiehlt. Hölzer könnten die zuvor genannten Auswirkungen auf der trophischen Ebene abschwächen. Kapitel 5 verdeutlicht, wie große Hölzer die Verfügbarkeit von verschiedenen Nahrungsmitteln erhöht. Das Resultat ist eine veränderte, vielfältige und produktive makroinvertebrate Gemeinschaft. In erster Linie beeinflusst Holz die trophische Ebene, indem es nährwerthaltiges Periphyton/Briophyten und eine übergeordnete Position für filtertätige Taxa, zum Beispiel für netzwebende Köcherfliegen, einführt. Die Studie erklärt wie ökologische Strukturen, insbesondere Holz, die ökologischen Funktionen durch biochemische Vorgänge von unten nach oben verändern können. Dabei hebt es vor allen Dingen den Stellenwert der ernährungsphysiologischen Perspektive für das Nahrungsmittelnetz hervor.