Anthropogenic influence on the distribution patterns of plant species and habitat diversity along German Federal Waterways

Abstract

Rivers and their floodplains are hotspots of biodiversity. In their natural state, they are shaped by dynamic conditions in space and time that are mainly driven by flooding and sediment transportation. Humans have always used riparian systems for their needs. Measures such as river straightening or the construction of barrages and levees have altered the hydraulic conditions and the floodplain landscapes. This results in a significant loss of ecosystem functions, floodplain area, habitat space and thus biodiversity. Nowadays, two thirds of the floodplain area in the Northern part of the world are lost, and only 10 % of the remaining floodplains are in an ecologically functional state. Therefore, the protection of floodplain biodiversity is one of the major concerns of the Convention on Biodiversity.Especially the German Federal Waterways, i.e. rivers, streams and canals used for shipping traffic, are strongly regulated. To improve the ecological status of these waterways, the management needs to incorporate measures for the protection of floristic diversity. However, it is not known how multiple anthropogenic alterations affect the plant species diversity of floodplains in concert, which are the most important factors, and whether these effects are comparable across regions. Thus, an inventory of plant species composition, diversity, and the most important factors influencing both is needed to develop recommendations for an ecological waterway management.The main objectives of this work were (1) to inventory the plant species diversity in the floodplains and adjacent areas of the German Federal Waterways and to determine the most important relations between regional differences, anthropogenic influence and phytodiversity; and (2) to draw conclusions for the incorporation of biodiversity demands in waterway management regimes.In a comparative study (chapter 2), we inventoried plant species composition and diversity in 20 study sites representative for the German Federal Waterways. The study sites comprised upland and lowland river stretches covering a range of anthropogenic alterations.The aim was to determine which species form the floodplain vegetation of Federal Waterways, how composition and diversity is affected by multiple human influences (e.g. regulation by barrages, bank protection, and shipping traffic) and whether the detected patterns are visible across regions and thus universally valid. While biodiversity patterns strongly differed between upland and lowland rivers, the anthropogenic influence was visible across all study sites. With increasing human influence, floodplain species were replaced by generalist species adapted to terrestrial conditions, since human alterations often lead to a disconnection of the river and the floodplain and inhibit the natural flooding regime. As a consequence, species richness partly increased within the studied habitats.Since knowledge on the bank vegetation of canals was scarce, canals were excluded from the comparative study and considered separately in a case study (chapter 3). The aim of this study was to gain knowledge about similarities and differences between natural and artificial waterways (canals), their bank vegetation and biodiversity. Similar to the comparative study, species richness was higher along the canal. The bank vegetation was composed of more terrestrial species while the vegetation along the river contained a higher amount of floodplain species. Accordingly, functional divergence, which is related to a higher ecological niche differentiation, was higher along the river.The findings of both studies suggest that management should aim to reinstall more natural hydraulic conditions and to reconnect rivers and floodplains to improve the ecological status of the floodplains of German Federal Waterways. On the short term, this might lead to a decrease in species numbers, since the invaded terrestrial species will be affected. However, on the long term, more dynamic conditions will lead to the small-scale pattern of habitats that are the main cause for floodplain biodiversity and that will sustain specialized and often endangered species. Even along artificial or strongly inhibited waterways, a management of benign neglect will allow for succession and thus higher habitat diversity. Flüsse und ihre Auen sind Hotspots der Biodiversität. In ihrem natürlichen Zustand sind sie von zeitlicher und räumlicher Dynamik geprägt, welche vor allem von Überflutung und Sedimentationsprozessen bestimmt wird. Menschen haben Fließgewässersysteme schon immer für ihre Bedürfnisse genutzt. Maßnahmen wie Flussbegradigungen oder der Bau von Querbauwerken oder Deichen haben die hydraulischen Bedingungen und damit die Auenlandschaften stark verändert. Dies führt zu einem signifikanten Verlust von Lebensräumen, Ökosystemfunktionen, und entsprechend Artenvielfalt. Heutzutage sind zwei Drittel der Auen im nördlichen Teil der Welt verloren gegangen. Nur 10 % der übrigen Fläche befindet sich in einem ökologisch funktionsfähigen Zustand. Aus diesem Grund ist der Schutz der biologischen Vielfalt in Auen eines der Hauptanliegen der Convention on Biodiversity.Vor allem die Deutschen Bundeswasserstraßen, d.h. Flüsse, Ströme und Kanäle, die für den Schiffsverkehr genutzt werden, sind stark reguliert. Um den ökologischen Status der Wasserstraßen zu verbessern, sollen Maßnahmen zum Schutz der Biodiversität in das Ma-nagement integriert werden. Allerdings ist nicht bekannt, wie verschiedene anthropogene Einflussfaktoren sich gemeinsam auf die Diversität der Flussauen auswirken, welches die wichtigsten Faktoren sind und ob sich bestimmte Effekte überregional vergleichen lassen. Daher wird eine Bestandsaufnahme der Pflanzenartenzusammensetzung, der Pflanzenar-tenvielfalt und der wichtigsten Einflussfaktoren benötigt, um Empfehlungen für ein ökolo-gisches Wasserstraßenmanagement zu entwickeln.Die zentralen Ziele der vorliegenden Arbeit waren (1) die Vielfalt der Pflanzenarten in den Seitenräumen und Auen der Bundeswasserstraßen zu erfassen und die wichtigsten Beziehungen zwischen regionalen Unterschieden, menschlichem Einfluss und der Artenvielfalt zu bestimmen; und (2) Schlussfolgerungen zu ziehen, um den Schutz der Biodiversität in die Managementpläne der Bundeswasserstraßen zu integrieren.In einer vergleichenden Studie (Kapitel 2) wurden die Artenzusammensetzung und die Artenvielfalt der Vegetation in 20 repräsentativen Untersuchungsgebieten entlang der Bundeswasserstraßen erfasst. Die Untersuchungsgebiete umfassten sowohl Mittelgebirgs- als auch Flachlandgewässer und beinhalteten einen Gradienten von stark regulierten zu wenig beeinflussten Gewässerabschnitten. Die Zielsetzungen waren, die Arten, aus denen sich die Auenvegetation der Bundeswasserstraßen zusammensetzt, zu identifizieren, zu bestimmen, wie Zusammensetzung und Diversität von verschiedenen menschlichen Einflüssen (z.B. Stauregulierung, Ufersicherung, Schiffsverkehr) geprägt werden und zu erforschen, ob die gefundenen Muster überregionale Gültigkeit haben. Während sich die Muster der Phytodiversität stark zwischen Mittelgebirgs- und Flachlandflüssen unterschieden, war der menschliche Einfluss über alle Gebiete hinweg erkennbar. Mit zunehmender Beeinflussung wurden die Auenspezialisten durch Allerweltsarten, welche an terrestrische Bedingungen angepasst sind, ersetzt, da anthropogene Regulierung oft zu einer Trennung von Fluss und Aue führt und das natürliche Überflutungsregime beeinträchtigt. Als eine Folge dieser Artenverschiebung erhöhten sich teilweise die Artenzahlen in den untersuchten Standorten.Da das Wissen über die Ufervegetation von Kanälen gering ist, wurden Kanäle aus der vergleichenden Studie ausgeschlossen und separat in einer Fallstudie betrachtet (Kapitel 3). Das Ziel dieser Studie war, Erkenntnisse über die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen natürlichen und künstlich angelegten Wasserstraßen (Kanälen), ihrer Ufervegetation und ihrer Artenvielfalt, zu gewinnen. Entsprechend den Ergebnissen der vergleichenden Studie waren die Artenzahlen entlang des Kanals höher. Die Vegetation setzte sich aus terrestrischen Arten zusammen, während die Vegetation entlang des Flusses einen höheren Anteil an Auenarten beinhaltete. Demgemäß war die funktionelle Divergenz, welche im Zusammenhang mit einer höheren ökologischen Nischendifferenzierung steht, höher entlang des Flusses.Die Ergebnisse beider Studien legen nahe, dass das Wasserstraßenmanagement darauf abzielen sollte, natürlichere hydraulische Bedingungen zu schaffen und die Verbindung zwischen Fluss und Aue wiederherzustellen, um den ökologischen Status der Auen der Bundeswasserstraßen zu verbessern. Kurzfristig könnte dies eine Abnahme der Artenzahlen zur Folge haben, da die eingewanderten Allerweltsarten betroffen wären. Langfristig würden dynamischere Bedingungen jedoch zu einem kleinräumigen Muster an unterschiedlichen Standortbedingungen führen, welches die wichtigste Voraussetzung für die hohe Diversität von Auenlebensräumen darstellt und welches die Grundlage für spezialisierte und teils gefährdete Arten bildet. Auch entlang von künstlichen oder stark beeinträchtigten Wasserstraßen könnte eine Reduzierung der Uferpflege Sukzession und damit eine höhere Standortvielfalt fördern.