Essen, University, Diss., 2005--Duisburg.

Techn. Hochsch., Diss., 2003--Aachen.

Shore zones of large rivers are hot spots of biodiversity and contribute significantly to riverine ecosystem functioning. Today, shore degradation and other structural impair-ments like river straightening and channelization are strong impact factors on river ecosystem health. However, we still lack a thorough understanding of how structural shore zone degradation affects benthic community composition and their inherent ecosystem functions. In this thesis I tested the influence of training structure induced environmental factors on benthic macroinvertebrate community composition and the share of non-native species. Moreover, I assessed the community-associated ecosystem functions in terms of secondary production and resource utilization. In the main channel, communities were composed of only a few specialized taxa with low abundances, which contributed little to riverine secondary production. This is probably due to the harsh conditions produced by constantly high flow velocities and relocation of the fine sandy sediment. Main channel habitats were hardly affected by the adjacent training structure. Hence, species compositions and productivities were similar at all investigated main channel sites. By contrast, each of the shore communities was diverse, highly abundant and productive in comparison to the main channel. However, variations between shore structure communities and their ecosystem functions were prominent. One particular training structure, i.e. the off-bankline revetment, bore the most diverse and by far most productive benthic community, which utilized vast total amounts of basal resources (1,323 g DM m-² y-1). Varying sediment compositions, availability of macrophytes and diverse flow velocities, including lentic conditions, were revealed as key factors for increasing biodiversity, secondary production and resource utilization. Allochthonous boulder habitats were generally highly prone to non-native species invasion. Neozoa proved less productive than many native community members and consumed minor relative and total amounts of the prevailing resource pelagic algae. The present quantitative comparison of shore type specific effects on biodiversity, biomass and productivity provides managers with a tool to improve the ecological attributes of large river ecosystems with an unchangeable, impaired macrostructure. In its entirety, this thesis constitutes a sound basis to increase the mechanistic understanding of the way in which shore zone manipulation can affect riverine benthic communities and their associated ecosystem functions. / Die Uferbereiche großer Flüsse sind für die Biodiversität und Funktion dieser Ökosys-teme von enormer Bedeutung. Uferdegradierung und Kanalisierung gehören zu wichti-gen Faktoren, die Flussökosysteme nachhaltig beeinträchtigen. Wie sich anthropogene Umstrukturierungen der Uferbereiche auf die Zusammensetzung benthischer Ge-meinschaften und deren Ökosystemfunktion auswirken ist jedoch weitestgehend unbe-kannt. In dieser Arbeit werden die Effekte von uferspezifischen Habitatfaktoren auf die Komposition des Makrozoobenthos und den Anteil an Neozoen getestet. Zudem wurden die gemeinschaftsassoziierten Ökosystemfunktionen in Bezug auf Sekundärproduktion und Ressourcennutzung erfasst und bewertet. Die benthische Gemeinschaft des Hauptstroms bestand lediglich aus wenigen spezialisierten Arten, welche nur geringfügig zur Gesamtsekundärproduktion des Flusses beitrugen. Dies war vermutlich auf die rauen Bedingungen im Hauptstrom (insbesondere hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit verbundener Sedimenttransport) zurückzuführen. Die Makrozoobenthosgemeinschaften des Hauptroms wurden von den jeweils angrenzenden Ufertypen nicht beeinflusst. Im Gegensatz zum Hauptstrom zeigte jeder der untersuchten Ufertypen hohe Dichten an benthischen Invertebraten wobei sich Zusammensetzung und Funktion der Artengemeinschaften zwischen den Ufertypen stark unterschieden. Dabei brachte das Parallelwerk die diverseste und produktivste Makroinvertebratenfauna hervor, welche enorme Mengen basaler Ressourcen ingestierte (1,323 g DM m-2y-1). Hauptfaktoren für eine Erhöhung von Biodiversität, Sekundärproduktion und Ressourcennutzung waren neben variablen Sedimentzusammensetzungen und Makrophytenbeständen sich oft ändernde Fließgeschwindigkeiten mit lentischen Phasen. Allochthone Steinhabitate waren generell anfällig für die Invasion nicht heimischer Arten. Diese Neozoen waren weniger produktiv als viele heimische Taxa und nutzten nur geringe Mengen pelagischer Algen, welche die meist verfügbare Ressource darstellten. Aus dem ökologischen Vergleich der verschiedenen Ufertypen lassen sich Managementempfehlungen zur Verbesserung des ökologischen Zustandes in Bezug auf Biodiversität und Ökosystemfunktionen ableiten, welche für große Flüsse mit degradierter und unveränderbarer Makrostruktur in Betracht gezogen werden können. In ihrer Gesamtheit liefert diese Arbeit ein fundiertes mechanistisches Verständnis über die Effekte von Ufermanipulationen auf benthische Gemeinschaften und deren assoziierte Ökosystemfunktionen in großen Flüssen.

Shore zones of large rivers are hot spots of biodiversity and contribute significantly to riverine ecosystem functioning. Today, shore degradation and other structural impair-ments like river straightening and channelization are strong impact factors on river ecosystem health. However, we still lack a thorough understanding of how structural shore zone degradation affects benthic community composition and their inherent ecosystem functions. In this thesis I tested the influence of training structure induced environmental factors on benthic macroinvertebrate community composition and the share of non-native species. Moreover, I assessed the community-associated ecosystem functions in terms of secondary production and resource utilization. In the main channel, communities were composed of only a few specialized taxa with low abundances, which contributed little to riverine secondary production. This is probably due to the harsh conditions produced by constantly high flow velocities and relocation of the fine sandy sediment. Main channel habitats were hardly affected by the adjacent training structure. Hence, species compositions and productivities were similar at all investigated main channel sites. By contrast, each of the shore communities was diverse, highly abundant and productive in comparison to the main channel. However, variations between shore structure communities and their ecosystem functions were prominent. One particular training structure, i.e. the off-bankline revetment, bore the most diverse and by far most productive benthic community, which utilized vast total amounts of basal resources (1,323 g DM m-² y-1). Varying sediment compositions, availability of macrophytes and diverse flow velocities, including lentic conditions, were revealed as key factors for increasing biodiversity, secondary production and resource utilization. Allochthonous boulder habitats were generally highly prone to non-native species invasion. Neozoa proved less productive than many native community members and consumed minor relative and total amounts of the prevailing resource pelagic algae. The present quantitative comparison of shore type specific effects on biodiversity, biomass and productivity provides managers with a tool to improve the ecological attributes of large river ecosystems with an unchangeable, impaired macrostructure. In its entirety, this thesis constitutes a sound basis to increase the mechanistic understanding of the way in which shore zone manipulation can affect riverine benthic communities and their associated ecosystem functions. / Die Uferbereiche großer Flüsse sind für die Biodiversität und Funktion dieser Ökosys-teme von enormer Bedeutung. Uferdegradierung und Kanalisierung gehören zu wichti-gen Faktoren, die Flussökosysteme nachhaltig beeinträchtigen. Wie sich anthropogene Umstrukturierungen der Uferbereiche auf die Zusammensetzung benthischer Ge-meinschaften und deren Ökosystemfunktion auswirken ist jedoch weitestgehend unbe-kannt. In dieser Arbeit werden die Effekte von uferspezifischen Habitatfaktoren auf die Komposition des Makrozoobenthos und den Anteil an Neozoen getestet. Zudem wurden die gemeinschaftsassoziierten Ökosystemfunktionen in Bezug auf Sekundärproduktion und Ressourcennutzung erfasst und bewertet. Die benthische Gemeinschaft des Hauptstroms bestand lediglich aus wenigen spezialisierten Arten, welche nur geringfügig zur Gesamtsekundärproduktion des Flusses beitrugen. Dies war vermutlich auf die rauen Bedingungen im Hauptstrom (insbesondere hohe Strömungsgeschwindigkeiten und damit verbundener Sedimenttransport) zurückzuführen. Die Makrozoobenthosgemeinschaften des Hauptroms wurden von den jeweils angrenzenden Ufertypen nicht beeinflusst. Im Gegensatz zum Hauptstrom zeigte jeder der untersuchten Ufertypen hohe Dichten an benthischen Invertebraten wobei sich Zusammensetzung und Funktion der Artengemeinschaften zwischen den Ufertypen stark unterschieden. Dabei brachte das Parallelwerk die diverseste und produktivste Makroinvertebratenfauna hervor, welche enorme Mengen basaler Ressourcen ingestierte (1,323 g DM m-2y-1). Hauptfaktoren für eine Erhöhung von Biodiversität, Sekundärproduktion und Ressourcennutzung waren neben variablen Sedimentzusammensetzungen und Makrophytenbeständen sich oft ändernde Fließgeschwindigkeiten mit lentischen Phasen. Allochthone Steinhabitate waren generell anfällig für die Invasion nicht heimischer Arten. Diese Neozoen waren weniger produktiv als viele heimische Taxa und nutzten nur geringe Mengen pelagischer Algen, welche die meist verfügbare Ressource darstellten. Aus dem ökologischen Vergleich der verschiedenen Ufertypen lassen sich Managementempfehlungen zur Verbesserung des ökologischen Zustandes in Bezug auf Biodiversität und Ökosystemfunktionen ableiten, welche für große Flüsse mit degradierter und unveränderbarer Makrostruktur in Betracht gezogen werden können. In ihrer Gesamtheit liefert diese Arbeit ein fundiertes mechanistisches Verständnis über die Effekte von Ufermanipulationen auf benthische Gemeinschaften und deren assoziierte Ökosystemfunktionen in großen Flüssen.

In addition to the hydromorphological pressure on the ecological conditions of free-flowing river courses, increasing water temperature is affecting the water bodies, particularly by changing freshwater community compositions. The low discharge of numerous European rivers in the dry and hot hydrological year 2022 proves this relevance. Therefore, ecological assessment tools such as habitat modeling should take these factors into account when assessing the quantity and quality of habitats. In this paper, the habitat modeling tool “Transient River Habitat Modeling for Macrozoobenthos” (TRiMM) is improved by incorporating a fuzzy logic approach and adding water temperature to the set of parameters determining habitat suitability for macrozoobenthos. Habitat-relevant parameters, including hydromorphological factors (depth, velocity, mineral and organic substrate) and a water quality factor (temperature), are combined in the habitat model so that it can more broadly characterize river physical conditions and their interactions with biological indicators. Habitat modeling employed the mentioned parameters to simulate suitability for the macrozoobenthos in a small river in central Saxony, Germany. Due to its deteriorated condition, this river was selected as a representative for thousands of kilometers of small rivers across the region, which have been restored. The model simulated the status quo of river conditions from spring to summer for three macrozoobenthos species (Ancylus fluviatilis, Ephemera danica and Gammarus fossarum). The results showed that the natural flow resulted in dynamic habitat suitability both spatially and temporally, which differs for each species. Remarkably, the five-parameter model (depth, velocity, temperature, mineral, and organic substrate) generally performed better compared to a similar model without temperature.