Effects of river regulation measures on floristic diversity and possibilities for its promotion in riverbank habitats along German Federal Waterways

Abstract

Rivers have always been used as transport medium for goods, which still applies to large rivers like the Main, the Danube or the Rhine. Thus, regulation measures were necessary to meet the criteria for navigation. River and floodplain ecosystems, formerly defined by their dynamic character, are therefore confronted with enormous changes in ecosystem functioning, being displayed by reduced functionality of ecosystem services and i. a. distinct changes in plant species composition. The European Water Policy thus adopted the Water Framework Directive, aiming at achieving the good ecological status for all European rivers by 2027, whereby the goal of the good ecological potential is intended for highly regulated water bodies like German Federal Waterways. In which way this can be realized for riverbanks along Federal Waterways and how the success of riverbank revitalization measures can be evaluated, is the subject of this work. To this end, vegetation was sampled along riverbanks of the Main, Danube, Lahn and Fulda during the growing seasons 2016, 2017 and 2018. All rivers are intensively affected by impoundments and riverbank embankments consisting of ripraps. Data analysis was carried out by means of multivariate and univariate statistical approaches and revealed homogeneity in riverbank species composition, although these habitats are naturally characterized by a high level of heterogeneity. Species composition mainly consisted of competitive species, which originally occur in habitats in more distance to the river, as these species reveal no adaptations to recurring flooding events. Typical riverbank species were less frequent and grew in dominance along flat riverbank sites (6%) with higher intensity in water level fluctuations. Thus, the lowering of bank steepness is considered to be effective for promoting species with improved adaptations to changing water levels. The second field study conducted for this dissertation revealed that lowering of bank steepness will be most successful in areas, where averagely higher water level fluctuations are existent. This especially applies to downstream reaches of weirs, which are mainly distributed along secondary Federal Waterways and which are not influenced by the next weir downstream, as water level fluctuations will decline gradually with growing proximity to the next weir. By contrast to secondary Federal Waterways, the areas directly influenced by impoundments (one kilometer upstream and downstream of impoundments) reveal a too high regulation intensity, wherefore these areas are recommended to remain unconsidered for riverbank restoration measures. Furthermore, it is also possible to actively manage the restored species composition by bank structure. Concave flat banks without ripraps but with gravel addition in the transition zone between water and land revealed the most typical species composition for riverbanks. By contrast, species composition of banks that were front-fixed by ripraps in the waterway´s channel was also enriched by species from low-flow to stagnant habitats. The results of the first field study for this work revealed that the removal of ripraps can promote a higher lateral connectivity between river and floodplain and a higher level of heterogeneity in riverbank habitats. Thus, unfortified and front-fixed banks can essentially contribute to biotope-cross linking along Federal Waterways. Due to reasons of traffic safety, the removal of ripraps is largely not feasible along primary Federal Waterways, wherefore riverbank restoration measures are limited to local measures. As secondary waterways are mainly used for leisure purposes, riverbank erosion events that are induced by shipping traffic are not expected. Further, water flow velocity is significantly reduced along upstream areas within a distance of one kilometer to the next weir. Compared to primary Federal Waterways, there thus exist more space for riprap removals along secondary Federal Waterways. As the character of plant species diversity measures is rather descriptive and these measures are not applicable to display species´ adaptation to recurring disturbance events, this approach is not recommendable for the evaluation of riverbank restoration measures. Therefore, this evaluation was carried out by means of species traits of the potential natural vegetation of riverbanks, consisting mainly of low competitive and annual species. Restoration measures were considered to be successful when species composition was characterized by more species with the mentioned traits compared to the basis of comparison (banks protected by ripraps, banks along upstream reaches with reduced hydrodynamic compared to downstream reaches). The analysis of species traits further considered species´ habitat origin and led to the conclusion that Bidentetea species were too rare for a sound evaluation of riverbank restoration measures. As species from flooded meadows displayed the intensity of water level fluctuations much better than Bidentetea species and also originate from riverbank transition zones, they attach great importance in this context. Die Flüsse unserer Landschaft wurden seit jeher als Transportmedium für Güter genutzt. Dies ist insbesondere für die großen Flüsse wie Main, Donau oder Rhein immer noch von Relevanz, weshalb sie im Laufe der Zeit zu Bundeswasserstraßen ausgebaut wurden, die den Anforderungen des Schiffsverkehrs gerecht werden müssen. Das ehemals von Dynamik geprägte Ökosystem Fluss-Aue sieht sich deshalb mit tiefgreifenden Veränderungen konfrontiert, die mit einer eingeschränkten Funktionalität der Ökosystemleistungen und unter anderem wesentlichen Veränderungen im floristischen Artengefüge einhergehen. Die europäische Wasserpolitik möchte deshalb im Rahmen der Wasserrahmenrichtlinie bis zum Jahr 2027 mithilfe geeigneter Maßnahmen den guten ökologischen Zustand aller europäischen Fließgewässer erreichen, wobei für die stark genutzten und ausgebauten Bundeswasserstraßen die Erreichung eines guten ökologischen Potentials angestrebt wird. Auf welche Weise dies für die Uferzonen der Bundeswasserstraßen erreicht werden kann und wie der Erfolg von Uferrevitalisierungsmaßnahmen an stark regulierten Fließgewässern bemessen werden kann, ist Gegenstand dieser Dissertation.Zu diesem Zweck wurden in den Vegetationsperioden 2016, 2017 und 2018 Vegetationsaufnahmen in den Uferzonen von Main, Donau, Lahn und Fulda erhoben, die durch Querbauwerke und Uferbefestigungen aus Steinen im Hinblick auf die Hydrodynamik stark reguliert sind. Die Daten wurden mithilfe multivariater und univariater statistischer Methoden analysiert und zeichnen ein homogenes Bild der ehemals von Heterogenität geprägten Artenzusammensetzung in den Uferbereichen. Hohe Anteile an konkurrenzstarken Arten charakterisieren die heutigen Uferzonen der Fließgewässer, die natürlicherweise aufgrund der häufig wiederkehrenden Überflutungen in den Uferhabitaten in flussfernen Habitaten anzutreffen sind. Typische Arten der Uferbereiche kamen in geringen Anteilen vor und waren vor allem in Bereichen mit geringerer Uferneigung (6%) dominanter, wo aufgrund der strukturellen Standortgegebenheiten eine höhere Intensität von Wasserstandsschwankungen zu erwarten ist. Eine effiziente Maßnahme zur Förderung von stärker spezialisierten Arten ist aus diesem Grund die Abflachung der Ufer, die vorrangig in den Bereichen vorzunehmen ist, in denen durchschnittlich stärkere Wasserstandsschwankungen zu erwarten sind. Dies gilt vorranging für die wehrunterhalb gelegenen Bereiche an den Nebenwasserstraßen, wobei darauf geachtet werden sollte, dass der Einflussbereich der weiter unterhalb befindlichen Stauanlage in diesem Zusammenhang unberücksichtigt bleibt, da die Wasserstandsschwankungen mit zunehmender Nähe zum nächsten Wehr erneut graduell sinken. Die direkt durch die Staustufen beeinflussten Bereiche (ein Kilometer vor und nach jeder Staustufe) der Wasserstraßen im Hauptnetz hingegen sind von zu starker Regulierung überprägt, weshalb in diesem Bereich von Uferrevitalisierungsmaßnahmen eher abzusehen ist. Über die Uferstrukturierung besteht zudem die Möglichkeit, die Artenzusammensetzung in den Uferbereichen zu lenken. Eingebuchtete abgeflachte Ufer ohne Uferbefestigung aus Blocksteinen, jedoch mit Kieszugabe in den Übergangszonen zwischen Wasser und Land, zeigten in diesem Zusammenhang die standorttypischste Artenzusammensetzung. Dagegen wurden in Uferbereichen, die durch vorgelagerte Steinschüttungen im Flussbett vor Wellenschlag geschützt werden, auch Arten aus strömungsarmen Habitaten beobachtet. Im Rahmen der ersten Feldstudie für diese Dissertation zeigte sich, dass ein sparsamer Umgang mit Blocksteinen in den Uferzonen der Bundeswasserstraßen zu einer verstärkten lateralen Konnektivität zwischen Fluss und Aue beitragen kann und die Standortheterogenität in den Uferzonen positiv beeinflusst. Damit leisten unbefestigte Ufer und Ufer mit vorgelagerten Steinschüttungen einen wesentlichen Beitrag für die Biotopvernetzung an Bundeswasserstraßen. Die Entsteinung der Ufer ist an den Hauptwasserstraßen aus Verkehrssicherungsgründen weitestgehend nicht praktikabel, weshalb Uferrevitalisierungsmaßnahmen nur lokal realisiert werden können. An den gestauten Nebenwasserstraßen hingegen besteht vor allem in den direkt staubeeinflussten Bereichen die Möglichkeit der großflächigen Uferentsteinung, da die Fließgeschwindigkeit in diesen Bereich deutlich reduziert ist und Ufererosion durch Wellenschlag aufgrund der Beschränkung auf die Nutzung zu Freizeitzwecken nicht zu erwarten ist. Die Bemessung des Erfolgs von Uferrevitalisierungsmaßnahmen anhand von Parametern zur Quantifizierung der Artendiversität ist nicht zu empfehlen, da diese Maße keine Aussage über die Spezialisierung der Arten hinsichtlich wiederkehrender Störungsereignisse treffen können. Aus diesem Grund erfolgte die Bemessung des Erfolgs von Uferrevitalisierungsmaßnahmen im Rahmen dieser Arbeit anhand der Arteigenschaften der potentiellen natürlichen Vegetation von Uferzonen. Diese besteht zu einem wesentlichen Anteil aus konkurrenzschwachen und kurzlebigen Arten, weshalb Uferrevitalisierungsmaßnahmen als erfolgreich bewertet wurden, wenn die Artenzusammensetzung durch einen höheren Anteil dieser Arten im Vergleich zur Vergleichsgrundlage (durch Steinschüttungen befestigte Ufer, Ufer mit reduzierter Hydrodynamik) charakterisiert war. Die Analyse der Arteigenschaften schloss darüber hinaus auch die Habitatherkunft der Arten ein. Es zeigte sich, dass die Arten der Zweizahn-Pionierfluren aufgrund ihrer Seltenheit ungeeignet für die Beurteilung des Erfolgs von Uferrevitalisierungsmaßnahmen an stark regulierten Fließgewässern sind. Da die Arten der Flutrasen die Intensität der Wasserstandsschwankungen regulierter Uferbereiche besser wiederspiegeln konnten und diese wie die Arten der Zweizahn-Pionierfluren in den Wechselwasserzonen von Ufern beheimatet sind, wird diesen Arten bei der Erfolgsbewertung von Uferrevitalisierungsmaßnahmen an regulierten Fließgewässern eine hohe Bedeutung beigemessen.