Ecological assessment of the effects of hydrology and flooding events on floodplain meadow species and their potential habitats

Abstract

Floodplain meadow plant species are particularly adapted to the specific environmental conditions (e.g., the interplay of flooding and drought) in the floodplains of Europe s large rivers. Numerous species of this set of species often jointly occur at floodplain grassland despite their ecological heterogeneity. The traits that cause the joint distribution pattern still have hardly been studied. This thesis deals with the flooding tolerance of selected floodplain meadow species with a focus on different key factors of floods. Furthermore, the spatial distribution of species based on (mainly hydrological) environmental variables was studied. Two experiments showed that increases in flooding duration, flooding depth and the combination of the two factors (i.e., intensity of the flooding effect) as well as the occurrence of a flooding event at young plant age (younger than ~4-6 weeks) result in severe limitation to seedling establishment. The combined effect of flooding duration and depth and often interactions in general have been underestimated in experimental studies so far. Hence, the results of these studies are difficult to compare. Using an interdisciplinary approach (disciplines: hydrology and ecology) a habitat model of 23 floodplain meadow species was developed. The species distribution was modeled by relating occurrence of species to several environmental variables (i.e., morphological, meteorological, hydrological). The hydrological predictor variables (e.g., flooding depth and duration) were generated from a hydrological model, which simulates the surface water-groundwater interactions with a high temporal resolution. Habitat models that include hydrological parameters from the hydrological model show better results for floodplain meadow species distribution than models based on simple hydrological parameters. Habitat-suitability maps based on the habitat modeling were computed for the 23 target species. These maps could serve as a baseline for the target site selection of upcoming restoration projects (e.g., the reestablishment of typical floodplain meadow species). That enables an estimation of the restoration success in advance. Consequently, false investments of limited resources (e.g., freshly-cut, seed containing plant material, financial resources) through the restoration on unsuitable sites can be prevented. Stromtalpflanzen sind ideal an die Umweltbedingungen in den Auen der großen Ströme Europas (z. B. das Wechselspiel aus Überflutung und Trockenheit) angepasst.Viele Arten aus dieser Artengruppe kommen meistens gemeinsam auf den Auenwiesen vor, sind jedoch ökologisch überaus heterogen. Die Eigenschaften, die das gemeinsame Verbreitungsmuster erklären, sind noch weitgehend unerforscht. Die vorliegende Dissertation behandelt zum einen die Überflutungstoleranz von ausgewählten Stromtalpflanzen mit Fokus auf unterschiedlichen Faktoren und zum anderen die räumliche Verteilung der Arten auf Basis von insbesondere hydrologischen Umweltvariablen. Mit zwei Experimenten wurde gezeigt, dass eine längere Überflutungsdauer, eine höhere Überflutungshöhe und die Interaktion der beiden Faktoren (d. h. Intensität des Überflutungseffektes) sowie das Auftreten einer Überflutung bei geringem Alter der Pflanzen (jünger als ca. 4-6 Wochen) in starker Einschränkung der Jungpflanzenentwicklung resultiert. Der kombinierte Effekt aus Überflutungsdauer und -höhe bzw. Interaktionen generell, wurden in vielen experimentellen Studien bisher unterschätzt und diese leiden daher an fehlender Vergleichbarkeit. Anhand eines interdisziplinären Ansatzes aus Hydrologie und Ökologie wurde eine Habitatmodellierung von 23 Stromtalpflanzen erstellt. Das Vorkommen der Pflanzenarten wurde basierend auf verschiedenen Umweltvariablen (morphologischer, meteorologischer und hydrologischer Variablen) modelliert. Die hydrologischen Prädiktorvariablen (z. B. Überflutungshöhe und -dauer) wurden aus zeitlich hochaufgelösten Simulationen eines hydrologischen Modells, das die Interaktion zwischen Oberflächenwasser und Grundwasser darstellt, abgeleitet. Habitatmodelle, die hydrologische Variablen berücksichtigen, die aus dem hydrologischen Modell abgeleitet wurden, können die Artenverteilung von Stromtalpflanzen besser erklären als Modelle, die stark vereinfachte hydrologische Variablen enthalten. Auf Basis des Habitatmodells wurden Habitateignungskarten für die 23 Stromtalpflanzen erstellt. Diese Karten können zukünftig als Grundlage für eine Flächenauswahl bei Renaturierungsprojekten zur Wiederansiedlung der typischen Stromtalpflanzen dienen. Der Renaturierungserfolg kann dadurch besser abgeschätzt werden und Fehlinvestitionen (z. B. von begrenzt zur Verfügung stehendem Mahdgutbzw. finanziellen Mitteln) durch eine Renaturierung an ungeeigneten Standorten, können dadurch minimiert werden.