dc.contributor.author
Arora, Roshni
dc.date.accessioned
2018-06-07T22:01:58Z
dc.date.available
2016-04-15T09:48:49.083Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/8777
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-12976
dc.description.abstract
River/stream water temperature is one of the master water quality parameters
as it controls several key biogeochemical, physical and ecological processes
and river ecosystem functioning. Thermal regimes of several rivers have been
substantially altered by climate change and other anthropogenic impacts
resulting in deleterious impacts on river health. Given its importance,
several studies have been conducted to understand the key processes defining
water temperature, its controls and drivers of change. Temporal and spatial
river temperature changes are a result of complex interactions between
climate, hydrology and landscape/basin properties, making it difficult to
identify and quantify the effect of individual controls. There is a need to
further improve our understanding of the causes of spatiotemporal
heterogeneity in river temperatures and the governing processes altering river
temperatures. Furthermore, to assess the impacts of changing river
temperatures on the river ecosystem, it is crucial to better understand the
responses of freshwater biota to simultaneously acting stressors such as
changing river temperatures, hydrology and river quality aspects (e.g.
dissolved oxygen levels). So far, only a handful of studies have explored the
impacts of multiple stressors, including changing river temperature, on river
biota and, thus, are not well known. This thesis, thus, analysed the changes
in river temperature behaviour at different scales and its effects on
freshwater organisms. Firstly, at a regional scale, temporal changes in river
temperature within long (25 years) and short time periods (10 years) were
quantified and the roles of climatic, hydrological and landscape factors were
identified for North German rivers. Secondly, at a reach scale, spatial
temperature heterogeneity in a sixth-order lowland river (River Spree) was
quantified and the role of landscape factors in inducing such heterogeneity
was elucidated. Thirdly, at a site scale, short-term behavioural responses
(namely drift) of three benthic invertebrate species to varying levels of
water temperature, flow, and dissolved oxygen, and to combinations of those
factors were experimentally investigated. Results from this thesis showed
that, at a regional scale, the majority of investigated rivers in Germany have
undergone significant annual and seasonal warming in the past decades. Air
temperature change was found to be the major control of increasing river
temperatures and of its temporal variability, with increasing influence for
increasing catchment area and lower altitudes (lowland rivers). Strongest
river temperature increase was observed in areas with low water availability.
Other hydro-climatological variables such as flow, baseflow, NAO, had
significant contributions in river temperature variability. Spatial
variability in river temperature trend rates was mainly governed by ecoregion,
altitude and catchment area via affecting the sensitivity of river temperature
to its local climate. At a reach scale as well, air temperature was the major
control of the temporal variability in river temperature over a period of nine
months within a 200 km lowland river reach. The spatial heterogeneity of river
temperature in this reach was most apparent during warm months and was mainly
a result of the local landscape settings namely, urban areas and lakes. The
influence of urban areas was independent of its distance from the river edge,
at least when present within 1 km. Heat advected from upstream reaches
determined the base river temperature while climatological controls induced
river temperature variations around that base temperature, especially below
lakes. Riparian buffers were not found to be effective in substantially
moderating river temperature in reaches affected by lake warming due to the
dominant advected heat from the upstream lake. Experimental investigation
indicated that increasing water temperature had a stronger short-term effect
on behavioural responses of benthic invertebrates, than simultaneous changes
in flow or dissolved oxygen. Also, increases in water temperature was shown to
affect benthic invertebrates more severely if accompanied by concomitant low
dissolved oxygen and flow levels, while interactive effects among variables
vary much among taxa. These results support findings of other studies that
river warming, similar to climate change, might be a global phenomenon. Within
Germany, lowland rivers are the most vulnerable to future warming, with
reaches affected by urbanization and shallow lentic structures being more
vulnerable and, therefore, requiring urgent attention. Furthermore, river
biota in lowland rivers is particularly susceptible to short-term increases in
river temperature such as heat waves. Plantation of riparian buffers, a widely
recognized practice to manage climate change effects, in the headwater reaches
can be suggested to mitigate and prevent future warming of lowland rivers in
general and also throughout river basins, as river temperature response in
lowland catchments is a culmination of local and upstream conditions. However,
further river temperature increase in lowland river reaches within or close to
urban areas and shallow lentic structures will be more difficult to mitigate
only via riparian shading and would require additional measures.
de
dc.description.abstract
Die Wassertemperatur ist ein zentraler Wasserqualitätsparameter, der eine
Vielzahl verschiedener biogeochemischer, physischer und ökologischer Prozesse
sowie Ökosystemfunktionen von Flüssen steuert. Das Temperaturregime vieler
Flüsse wurde bereits nachhaltig durch Klimawandel und andere anthropogene
Einflüsse verändert und beeinflusst den chemischen und ökologischen Zustand
der Flüsse. Angesichts dieser Bedeutung, haben bereits mehrere Studien die
beteiligten Prozesse, Steuergrößen und anthropogenen Überprägungen der
Wassertemperatur untersucht. Zeitliche und räumliche Temperaturänderungen
resultieren aus einer komplexen Wechselwirkung zwischen Klima, Hydrologie und
Einzugsgebietseigenschaften. Die Identifikation und Quantifizierung der
Effekte einzelner Steuergrößen ist dementsprechend schwierig. Trotz früherer
Studien besteht ein weiterer Forschungsbedarf um die Ursachen der raum-
zeitlichen Heterogenität von Wassertemperaturen und ihrer maßgebenden
Steuerungsprozesse vollständig zu verstehen. Darüber hinaus ist es
entscheidend die Reaktionen von Süßwasserorganismen auf gleichzeitig wirkende
Stressoren wie veränderte Wassertemperatur, Hydrologie und
Wasserqualitätsaspekte (z.B. Gehalt an gelöstem Sauerstoff) besser zu
verstehen um die Bedeutung von Temperaturregimeänderungen vollständig erfassen
zu können. Bisher haben nur wenige Studien die Auswirkungen multipler
Stressoren, einschließlich der Änderung der Wassertemperatur, auf
Süßwasserorganismen untersucht. Die vorliegende Arbeit adressiert sowohl
Temperaturregimeänderungen als auch deren Wirkung auf Süßwasserorganismen auf
verschiedenen Skalen. Im ersten Teil werden regionale
Wassertemperaturänderungen für lange (25 Jahre) und kurze Zeiträume (10 Jahre)
quantifiziert. Dabei werden die Bedeutung von Klima, Hydrologie und
Einzugsgebietseigenschaften für Flüsse im Norddeutschen Tiefland
identifiziert. Im zweiten Teil der Arbeit wird die Heterogenität zwischen
Wassertemperaturänderungen einzelner Flussabschnitte der Spree quantifiziert
und mit verschiedenen Einzugsgebietseigenschaften in Bezug gesetzt. Im dritten
Teil werden kurzfristige Verhaltensreaktionen (Drift) von drei benthischen
wirbellosen Arten, aufgrund einzelner und kombinierter Änderungen von
Wassertemperatur, Strömung und dem Gehalt von gelöstem Sauerstoffs
experimentell untersucht. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass
auf regionaler Ebene, die Mehrheit der untersuchten Flüsse in Deutschland in
den vergangenen Jahrzehnten einer signifikanten jährlichen als auch saisonalen
Erwärmung unterlag. Die Veränderung der Lufttemperatur ist hierbei die
Hauptsteuergröße veränderter Wassertemperaturen und ihrer zeitlichen
Variabilität, wobei der Einfluss mit der Einzugsgebietsgröße und tieferen
Lagen (Tieflandflüsse) zunimmt. Die stärkste Zunahme der Wassertemperatur
wurde in Gebieten mit geringer Wasserverfügbarkeit festgestellt. Aber auch
andere hydroklimatische Parameter wie Abfluss, Basisabfluss, NAO, haben einen
signifikanten Einfluss auf die Variabilität der Wassertemperatur. Die
räumliche Variabilität der Temperaturänderungsraten in Flüssen wird
hauptsächlich durch die Klimasensitivität eines Gewässers bestimmt und durch
die Ökoregion, Höhe und Einzugsgebietsgröße beschrieben. Auch für den 200 km
langen Abschnitt der Spree erklärte, während eines neun-monatigen
Messprogramms, die Lufttemperatur maßgeblich die zeitliche Variabilität der
Wassertemperatur. In dem untersuchten Abschnitt der Spree wird die räumliche
Heterogenität der Wassertemperatur, insbesondere während der warmen Monate, im
Wesentlichen durch die lokalen Gegebenheiten (urbane Gebiete und Seen)
erklärt. Der Einfluss urbaner Gebiete konnte hierbei unabhängig von der
jeweiligen Entfernung (max. 1 km) vom Flussufer festgestellt werden.
Insbesondere unterhalb von Seen, wird die mittlere Wassertemperatur eines
Gewässerabschnitts hauptsächlich durch die advektiv mit dem Abfluss zugeführte
Wärme bestimmt, wohingegen Schwankungen um die mittlere Temperatur maßgeblich
durch klimatologische Größen gesteuert werden. Hierbei zeigte sich, dass in
Gewässerabschnitten unterhalb von Seen, die advektiv zugeführte Wärme,
deutlich dominiert und das Vorhandensein von Gewässerrandstreifen die
Wassertemperatur nicht nachweisbar beeinflussen. Die experimentellen
Untersuchungen ergeben, dass steigende Wassertemperaturen eine stärkere
kurzfristige Änderung der Verhaltensreaktionen des Makrozoobenthos bewirken,
als die gleichzeitige Änderung von Abfluss und Sauerstoffgehalt. Die Wirkung
erhöhter Wassertemperaturen in Kombination mit geringen Sauerstoffgehalten
oder Abflüssen fiel in der Regel stärker aus, unterschied sich in seiner
Wirkung jedoch teilweise erheblich zwischen den Arten. Diese Ergebnisse
unterstützen Aussagen anderer Studien, dass die Wassertemperaturerhöhung in
Flüssen, ähnlich wie der Klimawandel, ein globales Phänomen ist. In
Deutschland sind Tieflandflüsse, insbesondere wenn sie urban geprägt sind oder
flache Seen enthalten, am ehesten für einen Temperaturanstieg empfänglich. Sie
stellen somit besonders gefährdete Systeme dar und benötigen einer besonderen
Aufmerksamkeit. Darüber hinaus sind Süßwasserorganismen in Tieflandflüssen
besonders anfällig für einen kurzfristigen Anstieg der Wassertemperatur durch
beispielsweise Hitzewellen. Der Effekt von Gewässerrandstreifen zur
Abschwächung von klimawandelbedingten Wassertemperaturanstiegen ist
hinlänglich bekannt. Dabei können sich Gewässerrandstreifen im Oberlauf nicht
nur lokal positiv auf das Temperaturregime, sondern auch auf unterhalb
gelegene Gewässerabschnitte auswirken. Die Minderung eines zukünftigen
Wassertemperaturanstieges in urbanen und durch Flachseen geprägten
Tieflandflüssen mittels Gewässerrandstreifen ist schwer erreichbar und wird
die Implementierung weiterer Maßnahmen erfordern.
de
dc.format.extent
XVI, 113 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
temperature trends
dc.subject
thermal heterogeneity
dc.subject
multiple stressor
dc.subject
macroinvertebrates
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::570 Biowissenschaften; Biologie
dc.title
River temperature behaviour in changing environments: trends, patterns at
different spatial and temporal scales and role as a stressor
dc.contributor.firstReferee
Prof.Dr.Klement Tockner
dc.contributor.furtherReferee
Prof.Dr. Gunnar Nützmann
dc.date.accepted
2016-02-15
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000101776-2
dc.title.translated
Trends und Muster der Temperatur von Flüssen auf unterschiedlichen Skalen und
ihre Bedeutung als Stressor
de
refubium.affiliation
Biologie, Chemie, Pharmazie
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000101776
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000018999
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access