Wasserbeschaffenheit und Plankton in der Tideweser in den Jahren 2016 bis 2022

Abstract

Der vorliegende Bericht stellt die Längsprofilmessungen des Phyto- und Zooplanktons sowie begleitender Parameter der Wasserbeschaffenheit wie Salinität, Trübung, Schwebstoffgehalt, Sauerstoff und gelöste Nährstoffe in der Tideweser im Zeitraum von 2016 bis 2022 jeweils für das Frühjahr (Mai/Juni) und den Sommer (Juli/August/September) dar. In einem abschließenden Kapitel erfolgt eine Darstellung der Datenreihe der Jahre 2009 bis 2022, um die mittleren bzw. typischen Längsverteilungen in der Tideweser für das Phytoplankton und die Begleitparameter zu charakterisieren. Die Messfahrten erstreckten sich über die Unterweser vom Weserwehr bis zur Geestemündung bei Bremerhaven (Unterweser (UW)-km 65), die innere Außenweser und angrenzende Abschnitte der äußeren Außenweser (bis UW-km 90). Alle Messungen erfolgten oberflächennah während des Ebbstromes. Der aktuelle Untersuchungszeitraum war durch Jahre mit zum Teil extremen sommerlichen Trockenphasen geprägt. Anhand des mittleren Niedrigwasserabflusses (MNQ; basierend auf den Jahren 1941–2022) für das hydrologische Sommerhalbjahr (121 m³/s) konnten im Untersuchungszeitraum 2016–2022 vier Jahre identifiziert werden, in denen der jeweilige mittlere Abfluss bezogen auf das hydrologische Sommerhalbjahr bei oder unter MNQ lag: 2018, 2019, 2020 und 2022; im Jahr 2019 fand jedoch keine Bereisung statt. Diese unterschiedlichen hydrologischen Bedingungen beeinflussen die Längsverteilung der Wasserbeschaffenheitsparameter und die Planktonzusammensetzung in der Mittel- und Tideweser sowie deren interannuelle Variabilität. Während der Messfahrten in den abflussarmen Jahren (2018, 2020, 2022) wurden im Frühjahr hohe Algenbiomassen (Chla-Konzentration: 17–32 µg/l; zum Vergleich Chla-Konzentration in den abflussreichen Jahren: 7–21 µg/l; basierend auf der nasschemischen Methode nach DIN) aus der Mittelweser in die Tideweser eingetragen. Weiter stromab zeigte sich dann i. d. R. ein typischer Rückgang der Algenbiomasse auf Werte von meist unter 10 µg Chla/l im Bereich von UW-km 40–60. Zwischen UW-km 60 und UW-km 90 kam es dann in Richtung Nordsee in den meisten Jahren wieder zu einem leichten Anstieg der Chlorophyll-a-Konzentrationen auf Werte von i. d. R. 10–25 µg/l. Im Sommer der Jahre mit geringem Abfluss (2018 und 2022; keine Sommermessung in 2020) wurde ein für diese Jahreszeit ungewöhnlich hoher Eintrag an Chlorophyll a mit 22–64 µg/l aus der Mittel- in die Tideweser verzeichnet. Dahingegen wurde im Sommer der abflussreichen Jahre (2017 und 2021; keine Sommermessung in 2016) deutlich weniger Chlorophyll a (unter 10 µg/l) aus der Mittelweser in die Tideweser eingetragen. In den abflussarmen Jahren kam es im Bereich von UW-km 40–60 zu einer starken Abnahme des Chlorophyll-a-Gehaltes mit Konzentrationen deutlich unter 10 µg/l und dem anschließenden üblichen leichten Anstieg. Im Unterschied dazu blieben die Konzentrationen in den abflussreichen Jahren bis UW-km 20 annähernd konstant. Ab UW-km 20 bis ca. UW-km 40 kam es zu einem leichten Anstieg in den Chlorophyll-a-Konzentrationen. Anschließend ähnelte der Längsverlauf dem der abflussarmen Jahre (geringere Konzentrationen im Bereich von UW-km 40–60 sowie erneuter Anstieg der Konzentrationen bis UW-km 80). Die Untersuchungen zur Zusammensetzung des Phytoplanktons (basierend auf der mikroskopischen Arten- und Biovolumenbestimmung) zeigten, dass – mit Ausnahme der Bereisung im Mai 2018 – über den gesamten Längsverlauf der Tideweser die Kieselalgen das Gesamtbiovolumen dominierten. Dabei lagen für die einzelnen Bereisungen die maximalen Kieselalgenanteile zwischen 90 % (05/2018) und 100 % (09/2017). Vor allem die zu den Kieselalgen zählende Klasse der Mediophyceen hatte entlang der Tideweser einen hohen Anteil am Gesamtbiovolumen, wobei ihr Anteil Richtung Nordsee meist geringer wurde. Im meso- und polyhalinen Abschnitt hatten bei vielen Bereisungen zusätzlich die Coscinodiscophyceen einen bedeutsamen Anteil am Gesamtbiovolumen. Im limnischen und oligohalinen Abschnitt bis UW-km 65 wiesen meist auch die Grünalgen einen größeren Anteil am Gesamtbiovolumen auf. Die maximalen Anteile während der einzelnen Bereisungen schwankten dabei zwischen 16 % (06/2016) und 80 % (05/2018). Die auffallend hohen Grünalgenanteile, die im meso- und polyhalinen Bereich im Mai 2018 auftraten, sind auf die zu den Haptophyceen gehörende als Schaumalge bekannte Art Phaeocystis globosa zurückzuführen. Die Schaumalge trat von UW-km 53 bis UW-km 58 mit geringen Anteilen auf, ab UW-km 63 dominierte sie die Phytoplanktongemeinschaft zunehmend. Aufgrund ihrer „grünalgenähnlichen“ Pigmentausstattung wird Phaeocystis globosa operationell den Grünalgen zugeordnet, obwohl keine taxonomische Zugehörigkeit zu den Grünalgen besteht, sondern die Haptophyceen eine eigene Algenklasse sind. Ammonium wurde meist nur in geringen Konzentrationen von bis zu 0,05 mg NH4-N/l aus der Mittelweser in das Ästuar eingetragen. Im Bereich des Bremer Hafens bis ca. UW-km 20 zeigten die Ammonium-Konzentrationen durch die Freisetzung von Ammonium-Stickstoff infolge des Abbaus von organischem algenbürtigen Material oft einen deutlichen Peak (um 0,1 mg NH4-N/l, im Sommer 2018 sogar bis 0,4 mg NH4-N/l). Das Ammonium wurde anschließend – leicht stromab versetzt – im ersten Teilschritt der Nitrifikation zu Nitrit umgesetzt, sodass während fast allen Bereisungen die höchsten Nitrit-Konzentrationen zwischen UW-km 20 und 40 zu beobachten waren (Höchstwert: 0,11 mg NO2- N/l). Im zweiten Teilschritt der Nitrifikation wird das Nitrit zu Nitrat umgesetzt. Das in Folge der Nitrifikation gebildete Nitrat führte allerdings nur bei einzelnen Bereisungen zu einer geringen messbaren Erhöhung der Nitratgehalte im mittleren Abschnitt der Tideweser, da die Nitrat Konzentration im Wesentlichen durch den Eintrag aus der Mittelweser und die stromab (UW-km 40– 70) stattfindende Vermischung mit salzhaltigem Wasser bestimmt wird. Das Eingangssignal des Silikats aus der Mittelweser lag bei 0,5 mg Si/l (Bereisung 05/2022) bis 4,6 mg/l (Bereisung 09/2017). Ein wichtiger Faktor für die geringen Silikatgehalte war die höhere Algenaktivität und die damit verbundenen Aufnahme des Nährstoffs durch Kieselalgen, die das Silizium für den Aufbau ihrer Schalen benötigen. Im Längsverlauf der Tideweser kam es z. T. bis etwa UW-km 10–40 zu einem leichten Anstieg des Silikatgehaltes, z. T. verblieben die Silikatgehalte aber auch annähernd auf dem Eintragsniveau. Anschließend sanken diese aufgrund der Einmischung von salzhaltigem, silikatarmen Wasser aus der Nordsee meist auf Werte von unter 0,4 mg Si/l (Ausnahme: Bereisung 09/2017). Auch in der Nordsee nehmen die dort lebenden Kieselalgenarten im Frühjahr das Silizium bei ihrem Wachstum auf. Aus der Mittelweser wurden sowohl im Frühjahr als auch im Sommer ortho-Phosphat-Konzentrationen von unter 0,1 mg ortho-P/l oder oft sogar deutlich unter 0,05 mg ortho-P/l eingetragen. Auch hier werden geringe Konzentrationen durch die Aufnahme des ortho-Phosphats durch das Phytoplankton in der Mittelweser bewirkt. Im weiteren Längsverlauf waren dann meist im Bereich der Trübungszone die höchsten Konzentrationen (bis 0,09 mg ortho-P/l; Bereisung 09/2017) zu beobachten. Hin zur Nordsee sanken die Konzentrationen des ortho-Phosphats dann wieder auf Werte von unter 0,05 mg ortho-P/l ab. Die Salzgehaltsverteilung wird stark durch die Oberwasserabflussbedingungen bestimmt. So lag der Salzgehaltsgradient während der Jahre 2018, 2020 sowie 2022 aufgrund der geringeren Abflüsse in der Regel weiter stromauf als während der abflussreichen Jahre 2016, 2017 und 2021. Das salzhaltige Nordseewasser konnte in abflussarmen Perioden weiter in das Ästuar vordringen und entsprechend verkleinerte sich die Ausdehnung des limnischen Abschnitts. Die geringste Ausdehnung bezogen auf alle Messfahrten hatte der limnische Abschnitt im Frühjahr des abflussarmen Jahres 2020 (bis UW-km 36), die größte im Sommer des abflussreichen Jahres 2021 (bis UW-km 49). Der Abfluss und die daran gekoppelte Salzverteilung beeinflussen auch die Position der Trübungszone. Je nach Oberwasserabfluss prägte sie sich zwischen UW-km 30–70 aus. Es wurden maximale oberflächennahe Schwebstoffgehalte um 65–315 mg/l (Trockengewicht) erreicht. Für die Variabilität der Sauerstoffgehalte im Weserästuar konnten zwei wesentliche Faktoren identifiziert werden. Zum einen wird die Sauerstoffsituation im Ästuar durch die jahreszeitlichen Unterschiede (Frühjahr/Sommer) in den Phyto- und Zooplanktonbiomassen beeinflusst. Zum anderen war die Abflusssituation der einzelnen Jahre (abflussarm/abflussreich) ein maßgeblicher Faktor, der die interannuelle Variabilität prägte. Dabei lag der Belastungsschwerpunkt während der abflussarmen Jahre im Frühjahr im unteren Abschnitt des Ästuars (um UW-km 40–60), im Sommer hingegen weiter stromauf um UW-km 20. Im Frühjahr sind die hinsichtlich des Sauerstoffs untersättigten Bereiche meist auf einen Abschnitt von maximal 20 km begrenzt, wohingegen im Sommer ausgedehnte Bereiche (bis zu einer Ausdehnung von maximal 50 km) deutliche Untersättigungen aufwiesen. Hinsichtlich des Zooplanktons zeigen die Messungen deutliche longitudinale Verteilungsmuster. Die überwiegend limnischen Rotifera waren in der Tideweser im Wesentlichen auf den Süßwasserbereich beschränkt. Darüber hinaus fielen hohe Rotifera-Biomassen räumlich und zeitlich mit hohen Phytoplanktonbiomassen zusammen, was mit der herbivoren Lebensweise und den relativ kurzen Entwicklungszeiten der Rotifera erklärt werden kann. Folglich waren sowohl im Frühjahr als auch im Sommer die mittleren Biomassen der Rotifera im oberen limnischen Abschnitt der Tideweser (bis UW km 10) mit 7–8 µg TRG/l bzw. 5–14 µg TRG/l am höchsten. Die Algenbiomasse war in diesem Bereich ebenfalls meist höher als im übrigen Ästuar, wenn auch im Sommer weniger deutlich als im Frühjahr. Viele Crustacea, einschließlich der in der Tideweser dominanten Art Eurytemora affinis, sind omnivor und euryhalin und somit unabhängiger vom Phytoplankton als Nahrungsgrundlage sowie vom Salzgehalt. So lag das Biomassemaximum im Frühjahr bei UW-km 30–40 und damit stromab des Phytoplanktonmaximums. Im Sommer waren dann zwei Bereiche mit hohen mittleren Crustacea Biomassen zu verzeichnen. Ein räumlich sehr begrenzter Peak lag im limnischen Abschnitt bei UW km 10–20, d. h. ca. 10 km stromab des Biomassemaximums der Rotifera. Zwischen UW-km 50 bis 100, also deutlich weiter Richtung Nordsee, traten dann über einen ausgedehnten Bereich hohe mittlere Biomassen der Crustacea auf. Die Ergebnisse aus dem aktuellen Zeitraum 2016–2022 in Verbindung mit den Messergebnissen der Jahre 2009–2015 zeigen die Schwankungsbreite von Wasserbeschaffenheit und Plankton unter den heutigen Umweltbedingungen (z.B. Klima und Landnutzung) im Einzugsgebiet und welche Parameter sensitiv gegenüber Veränderungen sind. So lagen die Konzentrationen für die Parameter Salzgehalt, Sauerstoff sowie Phosphat im Frühjahr der abflussarmen Jahre 2018, 2020 und 2022 größtenteils am oberen (Salzgehalt, Sauerstoff) bzw. unteren Ende (Phosphat) der gesamten Schwankungsbreite der Jahre 2009–2022. Im Sommer der abflussarmen Jahre lagen dann die Konzentrationen von Nitrat, Silikat, Sauerstoff sowie Phosphat überwiegend unterhalb des Medians (2009–2022) und befanden sich größtenteils sogar am unteren Ende der über die Jahre 2009 bis 2022 beobachteten Schwankungsbreite. Dies ist wahrscheinlich auf die erhöhte Algenaktivität in der Mittelweser und die damit verbundene Nährstoffaufnahme zurückzuführen, sodass Wasser mit geringen gelösten Nährstoffkonzentrationen in das Ästuar eingetragen wurde. Datei-Upload durch TIB