Search

We investigated trends in temperature, stratification, and hypolimnetic oxygen concentration of German lakes under climate change using observational data and hydrodynamic modelling. Observations from 46 lakes revealed that annually averaged surface temperatures increased by + 0.5 °C between 1990 and 2020 while bottom temperatures remained almost constant. Modelling of 12 lakes predicted further increases in surface temperatures by 0.3 °C/decade until the year 2099 in the most pessimistic emission scenario RCP 8.5 (RCP 4.5: + 0.18 °C/decade; RCP 2.6: + 0.04 °C/decade). Again, bottom temperatures increased much less while summer stratification extended by up to 38 days. Using a simplified oxygen model, we showed that hypolimnetic oxygen concentrations decreased by 0.7–1.9 mg L−1 in response to the extended stratification period. However, model runs assuming lower productivity (e. g. through nutrient reduction) resulted in increased oxygen concentrations even in the most pessimistic emission scenario. Our results suggest that the negative effects of climate change on the oxygen budget of lakes can be efficiently mitigated by nutrient control.

Changes and disturbances to water diversity and quality are complex and multi-scale in space and time. Although in situ methods provide detailed point information on the condition of water bodies, they are of limited use for making area-based monitoring over time, as aquatic ecosystems are extremely dynamic. Remote sensing (RS) provides methods and data for the cost-effective, comprehensive, continuous and standardised monitoring of characteristics and changes in characteristics of water diversity and water quality from local and regional scales to the scale of entire continents. In order to apply and better understand RS techniques and their derived spectral indicators in monitoring water diversity and quality, this study defines five characteristics of water diversity and quality that can be monitored using RS. These are the diversity of water traits, the diversity of water genesis, the structural diversity of water, the taxonomic diversity of water and the functional diversity of water. It is essential to record the diversity of water traits to derive the other four characteristics of water diversity from RS. Furthermore, traits are the only and most important interface between in situ and RS monitoring approaches. The monitoring of these five characteristics of water diversity and water quality using RS technologies is presented in detail and discussed using numerous examples. Finally, current and future developments are presented to advance monitoring using RS and the trait approach in modelling, prediction and assessment as a basis for successful monitoring and management strategies.

It is a well-known fact that water bodies are crucial for human life, ecosystems and biodiversity. Therefore, they are subject to regulatory monitoring in terms of water quality. However, land-use intensification, such as open-cast mining activities, can have a direct impact on water quality. Unfortunately, in situ measurements of water quality parameters are spatially limited, costly and time-consuming, which is why we proposed a combination of hyperspectral data, in situ data and simple regression models in this study to estimate and thus monitor various water quality parameters. We focused on the variables of total iron, ferrous iron, ferric iron, sulphate and chlorophyll-a. Unlike other studies, we used a combination of airborne hyperspectral and RGB data to ensure a very high spatial resolution of the data. To investigate the potential of our approach, we conducted simultaneous in situ measurements and airborne hyperspectral/RGB aircraft campaigns at different sites of the Spree River in Germany to monitor the impact of pyrite weathering on water bodies after open-cast mining activities. Appropriate regression models were developed to estimate the five variables mentioned above. The model with the best performance for each variable gave a coefficient of determination R2 of 64% to 79%. This clearly shows the potential of airborne hyperspectral/RGB data for water quality monitoring. In further investigations, we focused on the use of machine learning techniques, as well as transferability to other water bodies. The approach presented here has great potential for the development of a monitoring method for the continuous monitoring of still waters and large watercourses, especially given the freely available space-based hyperspectral missions via EnMAP.

Dissolved gases produce a gas pressure. This gas pressure is the appropriate physical quantity for judging the possibility of bubble formation and hence it is central for understanding exchange of climate-relevant gases between (limnic) water and the atmosphere. The contribution of ebullition has widely been neglected in numerical simulations. We present measurements from six lacustrine waterbodies in Central Germany: including a natural lake, a drinking water reservoir, a mine pit lake, a sand excavation lake, a flooded quarry, and a small flooded lignite opencast, which has been heavily polluted. Seasonal changes of oxygen and temperature are complemented by numerical simulations of nitrogen and calculations of vapor pressure to quantify the contributions and their dynamics in lacustrine waters. In addition, accumulation of gases in monimolimnetic waters is demonstrated. We sum the partial pressures of the gases to yield a quantitative value for total gas pressure to reason which processes can force ebullition at which locations. In conclusion, only a small number of gases contribute decisively to gas pressure and hence can be crucial for bubble formation.

Nach Beiträgen zu Autökologie und Populationsökologie werden die Seeökosysteme aus der Sicht der Synökologie betrachtet. Die Gemeinschaften der Arten werden zunächst als Gemeinschaften 1. Ordnung, Gilden von Konkurrenten, mit dem Schwerpunkt des Vorkommens in der Litoralzone und in Flachseen behandelt. Die Charakteristika der Flachseen und deren Bistabilität werden dargestellt an Beispielen von Makrophyten dominierten Klarwasserseen und von planktischen Algen dominierten Trübwasserseen. Die Gemeinschaften der Makrophyten werden beschrieben nach taxonomischer Zusammensetzung, aus Sicht der Pflanzensoziologie, nach den Wuchsformen, als Primärproduzenten, als Futterquelle für Konsumenten, als Habitat und Schutzraum für litorale Organismen. Die Gemeinschaft des Zoobenthos wird dargestellt nach Artenzusammensetzung, Tiefenverteilung, Trophie, besiedelten Substraten, als funktionelle Gruppen und nach trophischen Positionen. Das Meiozoobenthos wird dem Makrozoobenthos gegenübergestellt. Die Gemeinschaft der Fische wird für typische Seen beschrieben nach taxonomischer Zusammensetzung, nach funktionellen Gruppen, den Typen der Nahrungsaufnahme und den trophischen Positionen, insbesondere für die sympatrisch lebenden Arten der Coregonen. Die verschiedenen Nahrungsnutzungen der Fische als Zooplanktivore, Herbivore und die Nutzung litoraler, profundaler und pelagischer Quellen sowie die Verschiebung des Nahrungsspektrums im Verlauf der ontogentischen Entwicklung werden dargestellt. Die Rolle der Vögel für Seeökosysteme wird an Beispielen gezeigt.

Im Vergleich mit Einzellern ergeben sich für Metazoen komplexere Lebensstrategien. Wachstum, Mortalität und Überlebensraten hängen im großen Skalenbereich vorwiegend von der Körpergröße ab. Im kleinen Skalenbereich ergeben sich spezifische Anpassungen an Temperaturregime, Habitat, Nahrungsangebot und Prädationsdruck durch invertebrate Räuber und Fische. Die Typen der ontogenetischen Entwicklung der Gruppen mit determiniertem Wachstum (Rotatorien, Copepoden, Insekten) und mit undeterminiertem Wachstum (Fische, Crustaceen, Mollusken) werden verglichen. Fischgattungen wie Coregonus und Salvelinus entwickeln besondere Formenvielfalt durch Variation von Wachstumsrate, maximaler Größe, Maturitätsalter, Habitatwahl und Futterspezifität. Die Entwicklung von Kohorten zeigt große Unterschiede in deren altersspezifischen Überlebensraten und Mortalität. Zur Lebensstrategie des Risikomanagements stellen sich die Fragen: Welche Stellgrößen steuern den Überlebenserfolg und die optimale Ressourcenallokation in Zahl und Größe der Eier? Wie wirkt sich die der Räuberdruck von Invertebraten und Fischen aus? Welchen Effekt erbringt die Brutfürsorge für den Reproduktionserfolg? Welche Messgrößen für den Erfolg der Lebensstrategien (fitness ) sind zu verwenden?

Vertical turbulent diffusivity (Kz), which can be estimated from water temperature, is a key factor in the evolution of water quality in lentic waters. In this study, we analysed the capability of a three‐dimensional hydrodynamic model (EFDC) to capture water temperature and vertical diffusivity in Lake Arendsee in the Northern German plain. Of particular interest to us is to evaluate the model performance for capturing the diffusion minimum within the metalimnion and analyse the response of the metalimnetic Kz to meteorological forcing, namely changing wind speed and warming. The comparison confirmed that the calibrated model could reproduce both stratification dynamics and vertical diffusion profiles in the lake. The model was also shown to be able to capture the duration and vertical extent of the metalimnetic diffusion minimum. The scenario results illustrate that, compared to air temperature, wind velocity appeared to be the more influential meteorological variable on the vertical exchange within the metalimnion. While increasing wind velocities mostly affected the minimum values of Kz in the metalimnion and thus led to intensified vertical exchange, the reduction of wind velocity mostly affected the depth of minimal Kz, but not its absolute value.

no abstract

Die Grundlagen der Populationsökologie von Seeökosystemen werden nach dem aktuellen Stand der Literatur dargestellt. An Beispielen von phototrophen und heterotrophen Ein‐ und Vielzellern werden die unterschiedlichen allometrischen Beziehungen zwischen Populationsdichte und Individuengröße gegenüber gestellt. Die allgemeine Gültigkeit und die Grenzen des Anwendungsbereiches der traditionellen Allometriebeziehungen zwischen Körpergröße, Wachstum und Mortalität werden diskutiert. Im 1. Teil wird für die der einzelligen Organismen (Bakterien, Phytoplankton und Protistenzooplankton) das Brutto‐ und Netto‐Wachstum unter optimalen und realen Feldbedingungen verglichen. Die Methoden zur Messung der Primärproduktion des Phytoplanktons und der Bakterienproduktion werden gegenüber gestellt den im See beobachteten Raten des Populationswachstums und das Wachstumspotenzial verglichen mit den spezifischen Verlustfaktoren. Für unterschiedliche Seen werden die anteiligen Verluste durch Sedimentation und Grazing, und die spezifische Rolle der Infektionen durch Pilze (Chytridien) und Viren und die Verwertung der extrazellulären Substanzen (EOS) beschrieben. Die Darstellung zur Populationsökologie der mehrzelligen, aquatischen Organismen wird in einem 2. Teil folgen.

Der Artikel enthält folgende Kapitel: EinleitungDie Temperaturnische aquatischer Organismen Einfluss der Temperatur auf Wachstum, Körpergröße und Lebensdauer Temperaturabhängigkeit der ProzessratenTemperatur und KörpergrößeTaxonspezifische Temperaturnischen Grundlagen und BegriffePräferenztemperaturen: Diurnale Vertikalwanderung (DVM)Präferenztemperaturen im Jahresverlauf und in der Ontogenie von FischenTemperatur-Kompensation Anpassungen an Temperaturwechsel und an KlimazonenAnpassungen durch temperaturspezifische IsoenzymeTemperaturanpassungen bei aquatischen InsektenZielbereiche von TemperaturanpassungenSauerstoffnische, Redox-Diskontinuität und das Sulfid-Methan-Habitat Physikalische Grundlagen für die Sauerstoffverfügbarkeit im WasserQuantifizierung der Anoxie und Hypoxie in SeenSauerstoff als Ressource und begrenzender Faktor Sauerstoffbedarf und physiologische LeistungKritische GrenzkonzentrationenAdaptations- und Kompensationsmechanismen bei Hypoxie Prinzipielle MechanismenAnpassung durch Verhalten und KiemenflächenvergrößerungAnpassungen durch Modifikation des HämoglobinsUmstellung vom aeroben zum anaeroben Stoffwechsel der Energiegewinnung (ATP)Photo- und chemoautotrophe Schwefelbakterien, Methan und Schwefel oxidierende Bakterien als Nahrungsquellen Vorkommen anoxischer Zonen in SeenBakterienaggregate in KonsortienPhototrophe Schwefelbakterien als Primärproduzenten und NahrungsquelleMethan oxidierende Bakterien als Primärproduzenten und NahrungsquelleHypoxische Zonen als Refugien Zusammenfassung

Although the occurrence of metalimnetic oxygen minima (MOM) in lakes during summer stratification was described by early limnologists, not much is known about the processes leading to its formation. Generally, dissolved oxygen (DO) consumption and net transport contribute to the observed DO decrease, but the latter was rarely considered in former studies. To examine the importance of both processes to MOM development in Lake Arendsee, Germany, we measured DO concentration and temperature with high spatial and temporal resolution during a complete stratification period. Vertical turbulent diffusivities were estimated from temporal changes of the heat content of the lake. The MOM development was not caused by locally enhanced DO consumption rates, but rather by a combination of vertical gradients in DO concentration and consumption. A vertical DO mass balance revealed that net DO transport into the metalimnion was in the same order of magnitude as DO consumption in the MOM. We found that DO consumption was governed by microbial respiration and the vertical variations of DO depletion rates in the metalimnion could be explained by a minor contribution of temperature and a higher contribution of turbidity, implying that the downward flux of particulate organic carbon promoted the MOM development. The intensive metalimnetic respiration in lakes forming a MOM can be expected to accelerate nutrient cycling close to the photic zone and thus, may further stimulate primary production.

An increasing number of studies constrain the importance of iron for the long-term retention of phosphorus (P) under anoxic conditions, i.e. the formation of reduced iron phosphate minerals such as vivianite (Fe3(PO4)2⋅8H2O). Much remains unknown about vivianite formation, the factors controlling its occurrence, and its relevance for P burial during early sediment diagenesis. To study the occurrence of vivianite and to assess its relevance for P binding, surface sediments of two hydrologically contrasting waters were analysed by heavy-liquid separation and subsequent powder X-ray diffraction. In Lake Arendsee, vivianite was present in deeper sediment horizons and not in the uppermost layers with a sharp transition between vivianite and non-vivianite bearing layers. In contrast, in lowland river Lower Havel vivianite was present in the upper sediment layers and not in deeper horizons with a gradual transition between non-vivianite and vivianite bearing layers. In both waters, vivianite occurrence was accompanied by the presence of pyrite (FeS2). Vivianite formation was favoured by an elevated iron availability through a lower degree of sulphidisation and was present at a molar ratio of total sulphur to reactive iron smaller than 1.1, only. A longer lasting burden of sediments by organic matter, i.e. due to eutrophication, favours the release of sulphides, and the formation of insoluble iron sulphides leading to a lack of available iron and to less or no vivianite formation. This weakening in sedimentary P retention, representing a negative feedback mechanism (P release) in terms of water quality, could be partly compensated by harmless Fe amendments.

In diesem Beitrag werden die Grundlagen zu den morphologischen, physikalischen und chemischen Eigenschaften der Seen beschrieben. Das ungleiche regionale Vorkommen von Seen im deutschsprachigen Raum wird mit den Entstehungsarten von Seen in Zusammenhang gebracht. Da die Strukturierung eines Gewässers in Lebensräume und deren Produktivität vor allem durch die Ausbildung von Temperatur- und Lichtgradienten erfolgt, wird in dem Kapitel der physikalischen Struktur der Seen eine besondere Bedeutung beigemessen. Es soll das Verständnis gestärkt werden, dass die Seen als Teil der Landschaft ihre chemische Prägung durch Vernetzung mit der terrestrischen Umgebung erfahren.

Die Eutrophierung von Standgewässern ist nach wie vor eine der größten Bedrohungen unserer Süßwasserressourcen. In Kombi- nation mit Maßnahmen im Einzugsgebiet zur Reduzierung der externen Nährstoffbelastung  können  zur Verringerung der Tro- phie von Seen und Talsperren gewässerinterne Ökotechnologien eingesetzt werden, die verschiedene ökologische Wirkprinzipien nutzen.  Der Beitrag gibt einen Überblick zu Prinzip und  Wir- kungsweise gewässerinterner Verfahren und über neuere Ent- wicklungen. Wegen der unmittelbaren Wirkung auf die Wasser- qualität  werden in der Praxis derzeit vor allem Phosphor-Fäl- lungen  im Wasserkörper realisiert. Diese erfordern sorgfältige Voruntersuchungen, um die Nachhaltigkeit zu  gewährleisten und um negative Auswirkungen auf das Gewässer zu vermeiden. Modernes Seenmanagement  sollte sowohl externe als auch inter- ne Maßnahmen in die Betrachtungen einschließen. Die Herausforderung besteht darin, die kombinierte Wirkung abzuschätzen und  die zeitliche Abfolge so zu wählen,  dass das Bewirtschaf- tungsziel mit geringstem finanziellem  Aufwand erreicht werden kann.Eutrophication of standing water bodies continues to be one of the greatest threats to our fresh water resources. In combination with measures in the catchment area that are intended to reduce external nutrient contamination, ecotechnologies applied inside water bodies, which rely on different ecological active principles, can be used to reduce the trophic status of lakes and reservoirs. The paper provides an overview of the principle and mode ofaction of such internal processes and more recent developments. Because of its direct impact on water quality, currently phosphorus precipitation is the most frequently used method in water bodies. This requires careful preliminary tests to ensure sustainability and prevent detrimental effects on the water body. A modern lake management co

Als Wissenschaft von den Binnengewässern beschäftigt sich die Gewässerökologie mit der Struktur und dem Stoff‐ und Energiehaushalt von Ökosystemen und quantifiziert die darin stattfindenden abiotischen und biotischen Prozesse. Die Untersuchung von Prozessen auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar und ist mit konventionellen Methoden oftmals nur eingeschränkt möglich. Vor diesem Hintergrund sind stabile Isotope in den letzten Jahren zu einer der vielseitigsten und aussagekräftigsten Methoden in der Gewässerökologie geworden, da Prozesse auf räumlicher Ebene von der Zelle bis zum gesamten Ökosystem und auf zeitlicher Skala von Sekunden bis Jahrhunderten quantifiziert werden können.

Seen und Talsperren sind dynamische Systeme, die gleichermaßen durch externe wie interne Prozesse gesteuert werden. Das Verständnis dieser Dynamik ist ein zentrales Anliegen der Limnologie und Grundvoraussetzung für zielführendes und kreatives Management. In diesem Zusammenhang sind komplexe dynamische Seenmodelle (KDS) ein unentbehrliches Hilfsmittel zum Systemverständnis geworden. Dieser Beitrag gibt eine Einführung in den Stand der ökologischen Modellierung von Standgewässern und liefert Einblicke in unterschiedliche Modelle. Gleichzeitig werden auch Probleme und Limitationen von komplexen Seenmodellen erörtert.

Between 1999 and 2002, a former open-cast mine was filled with river water forming the recent Lake Goitsche. During filling initially acid water was neutralised. Phosphorus (P) imported from Mulde River was nearly completely removed from the water column by co-precipitation with iron (Fe) and aluminium (Al) and deposited in the sediment. During extremely high waters of the Mulde River in 2002, a dike breach facilitated a second high import of P into Lake Goitsche with suspended and dissolved matter. The analysis of total phosphorus (TP), however, showed that P again had been eliminated from the water body a few months after the flood event. Sediment investigations before filling with river water, during filling, and after the flood event were used to analyse the process of P immobilisation in a lake with acid mine drainage history. The ratios of Fe to soluble reactive P (SRP) of sediment pore water were up to three orders of magnitudes higher than in natural lakes and can serve as an indicator for potential internal P loading from sediments. The SRP concentrations at the oxic/anoxic boundary were near or below the limit of quantification (< 0.2 µmol/L). Fe and manganese (Mn) redox cycling were responsible for hindering P dissolution from sediment to lake water. Finally it can be stated, that the risk of eutrophication for such a lake seems to be low.

The goal of any decision-making process is to determine the most appropriate solution within the available possibilities. Decision support serves to structure the process, to increase objectivity and to improve the success rate. Like expert systems, decision support for lake therapy uses fixed criteria and rules but does not lead to a final decision. Three examples for different applications are presented: - Ranking lakes with respect to therapy need - Practical support in selecting in-lake measures - Selection of measures that influence phosphorus-retention in sediments. Decision support will be discussed with regard to targets, objectivity, transparency and expenditure. Large differences exist in the use of criteria and their weighting. All of the decision support systems discussed assume that the user has a high expertise to prepare and make the decision.

Weltweit sind 30 bis 40 % aller Seen und Talsperren von der Eutrophierung betroffen, d.h. es kommt zu einer zunehmenden Intensität der Primärproduktion als Folge einer gesteigerten Nährstoffverfügbarkeit. Als wichtigster Ansatzpunkt für die Therapie eutrophierter Seen gilt die Verminderung des pflanzenverfügbaren Phosphors. In diesem Beitrag werden das Prinzip und die Grundlagen von seeinternen Verfahren vorgestellt, die auf eine Verminderung des Phosphorgehalts zielen. Zusätzlich werden an Fallbeispielen die Ursachen für erfolgreiche oder weniger erfolgreiche Therapieversuche diskutiert.

The attempt to restore the highly eutrophic Lake Arendsee (Germany) by means of artificial resuspension of calcareous mud (Seekreide) and capping of the natural bottom sediments in 1995 did not show the expected effects of decreasing the phosphorus (P) content in the water body. To understand this, the sorption characteristics and the mechanisms of P uptake of Seekreide were studied with laboratory experiments. These experimental results were combined with model simulations at field conditions to evaluate the efficiency of Seekreide for controlling the P cycle in the lake. The littoral deposits of Seekreide in Lake Arendsee mainly consist of calcite (70–87% dw) and are characterised by low contents of organic matter (5–8% dw), total P (0.13–0.47 mg g−1 dw) and iron (3.2–3.8 mg g−1 dw). Phosphorus uptake under laboratory conditions could be described with Langmuir sorption isotherms. A substantial portion of this uptake was not due to sorption to the CaCO3 surfaces but to iron oxihydroxides, since most P was found in the reductant-soluble fraction (BD-P). Although the theoretical maximum of sorbed P ranged between 0.19 and 0.22 mg g−1 dw, no substantial P uptake occurred under field conditions. The model predicted that resuspension of about 25,000 tons of littoral sediment would transiently remove not more than 0.3 tons of P from the water column (1.3% of TPlake) during sedimentation. After deposition of resuspended Seekreide, anaerobic conditions prevented any additional P retention. The close agreement of laboratory based simulations with field observations indicates: (1) capping of the lake sediments did not significantly prevent P-release, and, therefore (2) the -negligible- total effect of the large scale treatment and the failure to decrease P concentration in Lake Arendsee may be explained by and predictable from P uptake experiments, only.

A small, highly eutrophic mining lake (Golpa IV) in eastern Germany with a continuous input of nutrients and metals was used to study the mechanisms of phosphorus (P) fixation in the sediment. The sediment (0-15 cm) is characterised by high contents of iron (96 mg g-1 DW), aluminium (37.3 mg g-1 DW) and sulphur (54.3 mg g-1 DW) and an extreme accumulation of some trace metals. Despite oxygen free conditions in the hypolimnion and intensive sulphate reduction in the sediment, high P retention rates could be calculated from dated sediment cores (1986-1995: 11 g P m-2 a-1). The lake has shown a rapid response to reduction of P loading.In some sediment layers unusually high total sediment P concentrations with more than 24 mg P g-1 DW were observed. More than 80% of total sediment P was bound in the BD-SRP and NaOH-SRP fractions (extraction scheme according to Psenner et al., 1984) which indicates that a substantial portion of deposited P is immobilised in an Fe or Al bound form. This corresponds well with the presence of oxidised Fe species at all sediment depths. Furthermore thermodynamic calculations indicate that vivianite precipitation is favourable in deeper anoxic sediment layers. The inventory or input of Fe or Al seems to be more important for the permanent P immobilisation in the sediment of the investigated mining lake than redox forced mobilisation processes (e.g. iron or sulphate reduction).