Immer mehr Fließgewässer weltweit fallen temporär trocken. Häufigkeit, Dauer und Ausmaß des Trockenfallens werden als Folge des Klimawandels und des steigenden menschlichen Wasserbedarfs drastisch zunehmen. In ariden und semiariden Regionen – also in Gegenden der Erde, wo es höchstens drei bis fünf feuchte Monate pro Jahr gibt – sind intermittierende Fließgewässer jetzt schon die vorherrschende Art von Oberflächengewässern. Jedoch sind auch zunehmend Tieflandbäche der gemäßigten Breiten betroffen. Dr. Maria Isabel Arce, ehemalige Forscherin am IGB und nun an der Universität Murcia in Spanien, hat an einem Tieflandfluss der gemäßigten Breiten nachgewiesen, dass nach Austrocknung und Regen Flüsse vermehrt Kohlendioxid und Methan freisetzen können.

In Tieflandbächen sammelt sich mehr organisches Material an

„Im Vergleich zu Bächen in ariden und semiariden Gebieten sammeln sich in Tieflandbächen in gemäßigten Klimaregionen tendenziell größere Mengen an organischem Material an. Daher ist es wichtig zu verstehen, wie Trocken-Nass-Zyklen den Kohlenstoff-Umsatz verändern, um die ökologischen Folgen des Austrocknens von Fließgewässernetzen vorauszusehen“, erläutert Maria Isabel Arce.

Die Wissenschaftlerin und ihr Team haben die Sedimente eines nährstoffreichen Tieflandflusses, des Fredersdorfer Mühlenfließes in Brandenburg, über neun Wochen austrocknen lassen, um die zeitlichen Veränderungen der mikrobiellen Aktivität, der Kohlendioxid- und Methanemissionen sowie des aus dem Sediment lösbaren organischen Materials zu untersuchen. Letzterer spielt auch eine Rolle für den Nährstoffgehalt des Wassers. Außerdem simulierten die Forschenden kurze Regenfälle auf das ausgetrocknete Flussbett.

Wenn das Wasser geht, werden vermehrt Treibhausgase gebildet

Mit beginnender Austrocknung erhöhten sich durch veränderte mikrobielle Aktivität kurzfristig die Emissionen von Methan und von Kohlendioxid. Mit fortschreitender Austrocknung gelangte mehr Sauerstoff in das Sediment und es wurde weniger Methan, aber durch Veratmungsprozesse mehr Kohlendioxid gebildet. Erst später bremste die begrenzte Wasserverfügbarkeit generell die biologische Aktivität und damit auch die Bildung von Kohlendioxid. Vor allem in gemäßigten Klimazonen wird eine Trockenperiode häufig durch sporadische Regenfälle unterbrochen. Die simulierten Regenfälle lösten kurzfristig Kohlendioxid-Emissionen aus, die durch wasserlösliches organisches Material aus den Sedimenten gespeist wurden. In intermittierenden Fließgewässern können die Konzentrationen der freigesetzten Stoffe die Werte des sonst den Fluss speisenden Grundwassers um mehrere Größenordnungen übersteigen.

Tendenziell weniger gelöster organischer Kohlenstoff im ausgetrockneten Flussbett

Während der Austrocknung nahm die Menge an wasserlöslichem organischen Kohlenstoff durch die fortschreitende Mineralisierung ab. Im ersten Moment, wenn der Fluss wieder fließt – dem First-Flush-Ereignis – wird dieses im trockenen Bachbett angesammelte Material mobilisiert; seine Reaktivität hängt dann von den Bedingungen während der Austrocknungsphase ab. Einige Umweltfaktoren wirken im trockenen Bachbett nämlich mit größerer Intensität als im fließenden Gewässer. „Prozesse wie Photodegradation, terrestrische Einträge von Mikro- und Makrobiota in das Bachbett sowie die Akkumulation von organischem Material verstärken sich, wenn das Wasser fehlt, und ihr Einfluss auf den Kohlenstoff-Haushalt steigt“, erläutert der ehemalige IGB Forscher Dr. Gabriel Singer, der die Studie geleitet hat und heute an der Universität Innsbruck forscht. Daher seien nach einer Trockenperiode die Konzentrationen von gelöstem organischem Material und seiner Remineralisationsprodukte – zum Beispiel Nitrat –auch schwer abzuschätzen. Sie beeinflussen aber letztendlich die Bildung biogener Gase im weiteren Flussverlauf bis ins Meer.

Trockenphase verändert und diversifiziert eingetragenes Laub

Gabriel Singer und der ehemalige IGB-Forscher Rubén del Campo Gonzalez, der nun ebenfalls an der Universität Innsbruck forscht, konnten in einer weiteren Studie zeigen, dass neben der Anreicherung von organischem Material durch Laubeintrag auch dessen chemische Veränderung während der Trockenphase Auswirkungen auf seinen späteren Abbau weiter flussab haben kann. Sie zeigten, dass die Durchmischung unterschiedlich vorkonditionierter und daher chemisch diversifizierter Laubstreu deren Zersetzung beschleunigt. Damit wird also weniger Laubmaterial flussabwärts transportiert. Um die Balance zwischen Abbau und Transport in einem Fließgewässer auszudrücken, sprechen die Forschenden in diesem Fall von einer räumlichen Verkürzung der Laubzersetzung entlang des Flusslaufs. Dies widerspricht der klassischen Sichtweise von intermittierenden Flüssen als gepulste Bioreaktoren, in denen nach einer Trockenphase große Mengen wenig zersetzten Materials sehr weit transportiert werden.

“Umso verschiedener das Laub und die Mikroben und Invertebraten, die es zersetzen, desto schneller der Abbau organischer Substanz. Diese Studie zeigt also auch, dass Umweltheterogenität die chemische Vielfalt fördern kann, was wiederum die Zersetzung organischen Materials in intermittierenden Flussnetzen beschleunigen kann”, resümiert Gabriel Singer.