Matter retention in streams and rivers is an ecosystem service of outstanding ecological as well as economic importance. Studying and monitoring instream nitrate dynamics is essential to reduce the tremendous consequences of eutrophication of freshwater systems and coastal zones. Moreover, the cycling of nitrate in lotic systems is a paradigm for the instream transport and transformation behavior of any other reactive substance subjected to human perturbation of its natural cycle. Identifying instream processes and drivers that dictate nitrate transport in rivers and quantifying the capacity of rivers to retain nitrate is therefore of scientific as well as political interest and was the motivation for this thesis.
Even though understanding and monitoring of instream nitrate dynamics is advanced compared to most other emerging substances of concern (e.g. pharmaceuticals, synthetic and natural hormones), methodologies to directly assess nitrate dynamics are still limited, leaving a high degree of uncertainty to descriptive and predictive models. One major problem of common data acquisition is that the temporal and spatial variability of nitrate processing rates arising from the complex interactions of hydrological and biogeochemical drivers cannot be captured with traditional methods. For technical reasons, most studies have been conducted in small (and rather pristine) streams. Thus, particularly the functional behavior of larger rivers and anthropogenically modified systems is widely uncharacterized.
In this work, two methodologies were developed which allow quantitatively assessing nitrate dynamics on two relevant scales: The reach scale (1), which is of particular interest for monitoring strategies and local hyporheic nutrient fluxes (2), with the hyporheic zone being a key compartment in instream solute cycling. In order to assess the seasonal fluctuation in nitrate dynamics (3), a primary demand on the methods was that they operate continuous or over longer time spans.
On the reach scale, a combined two-station time-series and longitudinal profiling approach based on measurements from automated sensors, provided novel insights into seasonal variations of nitrogen processing and allowed quantitative comparison of the dynamics in a natural versus a heavily modified reach. Uptake was lower and the influence of season on uptake rates more marked in the modified reach. Continuous implementation of the proposed approach, fully covering the annual variations, can essentially improve existing monitoring practices by quantifying the effect of altered morphology and water chemistry on retention rates.
Hyporheic passive flux meters are an efficient tool to quantify time integrative hyporheic nutrient fluxes. In combination with other measurements, the results from a field application unraveled an unexpected hyporheic source-sink behavior for nitrate at the study reach. Different to common observations, not the upper most layer of the hyporheic zone but the layer between 15 and 30 cm was most efficient in removing nitrate, assumedly because substrate limitation is irrelevant in agricultural (nutrient and DOC enriched) streams. Further, higher discharge did not increase hyporheic exchange, because the monotonous morphology and absence of bedforms reduced the usually dominating effect of increased drag resistance with higher flow.
The studies presented here deliver empirical evidence that, on both investigated scales, anthropogenic modifications substantially impact instream nitrate dynamics. Alterations to channel morphology, riparian vegetation, hydrology and water quality change principal ecosystem functions relevant for solute retention in streams and rivers. The presented results show that anthropogenically modified systems may therefore behave unexpectedly if predictions are built on the driver-response correlations observed in natural systems.
Worldwide a large proportion of rivers and streams are modified by humans. However, altered systems are not adequately represented in studies focusing on solute dynamics. Efficient management of such systems, including evaluation of measures to reduce the nitrogen burden on receiving water bodies, requires quantitative knowledge on instream processes and governing drivers. Continuous or time integrative observations are more representative for the solute cycling characteristics of a system than “snapshot”-like assessments. The new methodologies thereby also facilitate extrapolation of local measurements and linking the resulting data with catchment scale models. Overall synthesis of the presented results suggests that such measurements of nitrate dynamics in streams may be used as an indicator for the ecosystem integrity.:Acknowledgments i
List of Tables vii
List of figures viii
List of Abbreviations and acronyms ix
Summary xi
1. Introduction 1
1.1. Goals and questions 3
1.1.1. Reach scale quantification of nitrate dynamics 4
1.1.2. Quantifying hyporheic nitrate fluxes 5
1.1.3. Hyporheic nitrate dynamics in an anthropogenically modified stream 6
2. High frequency measurements of reach scale nitrogen uptake in a 4th order river with contrasting hydromorphology and variable water chemistry (Weiße Elster, Germany) 8
2.1. Abstract 8
2.2. Introduction 9
2.3. Methods and Materials 12
2.3.1. Study site 12
2.3.2. Two stations time-series 14
2.3.3. Longitudinal Profiling 17
2.4. Results 19
2.4.1. Two stations time-series 19
2.4.2. Longitudinal profiling 23
2.5. Discussion 26
2.5.1. Diel variation 26
2.5.2. Comparison between sampling periods 28
2.5.3. Inter-reach comparison 29
2.5.4. Comparison of the Weiße Elster and other rivers 30
2.6. Conclusions 31
2.7. References 33
3. Quantifying nutrient fluxes with a new Hyporheic Passive Flux Meter (HPFM) 39
3.1. Abstract 39
3.2. Introduction 40
3.3. Methods 44
3.3.1. Construction and materials 44
3.3.2. Selection and characterization of resin 45
3.3.3. Preparation of activated carbon with alcohol tracers 47
3.3.4. Deployment and retrieval procedure 49
3.3.5. Analysis and data treatment 49
3.3.6. Field testing of hyporheic passive flux meters (HPFMs) 51
3.4. Results 56
3.4.1. Laboratory experiments 56
3.4.2. Field testing 56
3.5. Discussion 63
3.6. Conclusion and Outlook 69
3.7. References 70
4. Hyporheic passive flux meters reveal unexpected source-sink behavior of nitrogen in an anthropogenically modified stream (Holtemme, Germany) 79
4.1. Abstract 79
4.2. Introduction 80
4.3. Methods 82
4.3.1. Study site 83
4.3.2. Instrumental set-up 84
4.3.3. Deriving hyporheic denitrification rates 89
4.2. Results 92
4.2.1. Hyporheic nutrient fluxes and Darcy velocities 92
4.2.2. Nutrient concentrations in pore water 94
4.2.3. O2 and temperature 94
4.2.4. Hyporheic residence time and denitrification 95
4.5. Discussion 97
4.5.1.Darcy velocities and angle of hyporheic flow 97
4.5.2. Biotic activity 98
4.5.3. Extent of active hyporheic zone 98
4.5.4. The effect of redox conditions and residence time on the NO3 source-sink function of the Hyporheic zone 99
4.5.5. Anthropogenic influence on water quality 101
4.6. Conclusions 102
4.7. References 104
5. Discussion 110
5.1. Evaluation of the new methodology 110
5.1.1. High frequency measurements of nitrogen removal in rivers 110
5.1.2. Hyporheic passive flux meter for the quantification of nutrient fluxes 113
5.2. Results from the field studies and scientific implications 115
5.2.1. Nitrogen processing in aquatic ecosystems 115
5.2.2. Reach scale nitrogen dynamics in the Weiße Elster 117
5.2.3. Hyporheic nutrient fluxes at the Holtemme 120
5.3. Moving beyond and Outlook 123
5.3.1. Scaling and representability 124
5.3.2. Modified ecosystems 128
6. References 130
Note on the commencement of the doctoral procedure 151
Curriculum Vitae 152 / Der Rückhalt von Stoffen in Flüssen und Bächen ist eine Ökosystem-Dienstleistung von grösster ökologischer wie auch wirtschaftlicher Bedeutung. Um die negativen Auswirkungen durch Eutrophierung von Süsswasserkörpern und Küstengebieten zu reduzieren, ist es erforderlich, die Stickstoffdynamik in Fliessgewässern zu untersuchen und zu überwachen. Darüber hinaus, kann der Umsatz von Nitrat in lotischen Systemen als Paradigma für den Transport und die Transformation anderer reaktiver Substanzen von anthropogenem Ursprung gesehen werden. Die Prozesse zu identifizieren, die den Nitrattransport in Fliessgewässern und deren Kapazität Nitrat zurückzuhalten beeinflussen, ist somit von wissenschaftlichem wie auch von politischem Interesse und war die Motivation für diese Arbeit.
Obwohl unser Wissen über das Verhalten von Nitrat in Fliessgewässern, im Vergleich zu vielen erst neuerdings an Bedeutung gewinnender Substanzen (z.B. Arzneimittelrückstände, synthetische und natürliche Hormone) fortgeschritten ist, fehlen Methoden um die Nitratdynamik im Fliessgewässer zu erfassen. Dadurch ist die Überwachung wie auch der Vorhersage des Nitratexports durch Fliessgewässer mit grossen Unsicherheiten behaftet. Ein Hauptproblem bei der Datenerfassung ist, dass die Umsatzraten von Nitrat aufgrund der komplexen Zusammenspiele von biogeochemischen wie auch hydrologischen Einflussfaktoren, sowohl räumlich wie auch zeitlich stark schwanken. Ausserdem wurden aus technischen Gründen die meisten Studien bislang in kleinen (und eher unberührten) Flüssen durchgeführt. Deshalb bestehen insbesondere über das Exportverhalten grosser und anthropogen veränderter Systeme grosse Unsicherheiten.
In dieser Arbeit wurden zwei Methoden entwickelt, die es erlauben, die Nitratdynamiken auf zwei relevanten Grössenskalen zu erfassen: Einmal über eine Flussstrecke von einigen Kilometern und zum anderen lokal in der Hyporheischen Zone. Die erste Skala (Flusstrecke) ist insbesondere für die Entwicklung von Monitoring-Strategien wichtig. Die Hyporheische Zone ist als Schlüsselkompartiment für den Stoffumsatz in Fliessgewässern von Bedeutung. Da zeitliche (z.B. saisonale) Schwankungen im Nitratumsatz erfasst werden sollten, war eine primäre Herausforderung an die Methoden, dass sie für die kontinuierliche Aufzeichnung über länger Zeitspannen geeignet sind.
Für die Fliessgewässerstrecke wurde eine Bilanzierung von Zeitreihen zwischen zwei Stationen mit Messungen über das Längsprofil kombiniert. Die Zeitreihen wurden mit automatisierten Sensoren aufgenommen. Der hier entwickelte Ansatz von Messung und Auswertung lieferte neue Erkenntnisse über die saisonale Variation des Stickstoffumsatzes und ermöglichte einen quantitativen Vergleich zwischen einem natürlichen und einem anthropogen überprägten Gewässerabschnitt. Der Nitratrückhalt im veränderten Abschnitt war niedriger und der Einfluss der Jahreszeit auf die Umsatzraten war stärker ausgeprägt. Eine dauerhafte Installierung des Messaufbaus, der die gesamten Jahresschwankungen abdeckt, könnte die existierenden Überwachungsverfahren erheblich verbessern, weil so der Effekt der Fliessgewässermorphologie und der Wasserchemie auf die Umsatzraten berücksichtigt werden können.
Hyporheische Passive Flux Meter sind ein Instrument für die zeitlich gemittelte Quantifizierung von Nitratflüsse durch die Hyporheische Zone. In Kombination mit weiteren Messungen brachten die Ergebnisse einer Freilandmessung unerwartete Ergebnisse über die Entstehung und den Abbau von Nitrat in der Hyporheischen Zone des untersuchten Flusses zum Vorschau. Anders als üblicher Weise beobachtet, war der Abbau von Nitrat nicht in der obersten Schicht der Hyporheischen Zone, sondern in einer Tiefe von 15 bis 30 cm am effizientesten. Wahrscheinlich verhalten sich landwirtschaftlich beeinflusste Gewässer (die mit Nitrat und organischen Stoffen angereichert sind) diesbezüglich nicht laut Lehrbuchmeinung, weil es nicht zur Stofflimitierung in tieferen Schichten kommt. Ebenso unerwartet führten höhere Abflüsse nicht zu vermehrtem hyporheischen Austausch.
Es zeigte sich, dass durch die Begradigung des Fliessgewässers, der normalerweise auftretende Austausch an Gewässerbettformen, der mit zunehmenden Abfluss steigt, nicht relevant ist. Die hier vorgestellten Studien liefern empirische Beweise, dass auf beiden untersuchten Skalen anthropogene Veränderungen die Nitratdynamik im Fliessgewässer erheblich beeinflussen. Eingriffe in die Morphologie, Ufervegetation, Hydrologie und Wasserqualität verändern wesentliche Ökosystem-Funktionen, die relevant für den Stoffrückhalt in Flüssen und Bächen sind. Die präsentierten Ergebnisse zeigen dass sich anthropogen veränderte Systeme überraschend verhalten, wenn Vorhersagen auf Aktio-Reaktio-Korrelationen getroffen werden, die aus Beobachtungen in natürlichen Systemen abgeleitet wurden.
Weltweit ist ein grosser Anteil der Flüsse und Bäche durch Menschen verändert. Solche beeinträchtigten Fliessgewässer sind jedoch nicht angemessen in Studien über Stoffdynamiken vertreten untersuchen. Effizientes Management solcher Fliessgewässer, ebenso wie die Beurteilung von Massnahmen um die Nitratlast auf die empfangenden Fliessgewässer zu reduzieren, benötigen quantitative Aussagen über Prozesse und vorherrschende Auslöser. Kontinuierliche wie auch zeitlich integrierende Beobachtungen sind repräsentativer als Schnappschuss-Aufnahmen. Die neuen Methoden erleichtern damit auch die Übertragung lokaler Messungen und die Einbindung der gewonnenen Daten in Einzugsgebiet Modelle.
Die hier vorgestellten Ergebnisse zeigen des Weiteren, dass die Nitratdynamik in einem Fliessgewässer als Indikator für die Intaktheit des Ökosystems verwendet werden kann.:Acknowledgments i
List of Tables vii
List of figures viii
List of Abbreviations and acronyms ix
Summary xi
1. Introduction 1
1.1. Goals and questions 3
1.1.1. Reach scale quantification of nitrate dynamics 4
1.1.2. Quantifying hyporheic nitrate fluxes 5
1.1.3. Hyporheic nitrate dynamics in an anthropogenically modified stream 6
2. High frequency measurements of reach scale nitrogen uptake in a 4th order river with contrasting hydromorphology and variable water chemistry (Weiße Elster, Germany) 8
2.1. Abstract 8
2.2. Introduction 9
2.3. Methods and Materials 12
2.3.1. Study site 12
2.3.2. Two stations time-series 14
2.3.3. Longitudinal Profiling 17
2.4. Results 19
2.4.1. Two stations time-series 19
2.4.2. Longitudinal profiling 23
2.5. Discussion 26
2.5.1. Diel variation 26
2.5.2. Comparison between sampling periods 28
2.5.3. Inter-reach comparison 29
2.5.4. Comparison of the Weiße Elster and other rivers 30
2.6. Conclusions 31
2.7. References 33
3. Quantifying nutrient fluxes with a new Hyporheic Passive Flux Meter (HPFM) 39
3.1. Abstract 39
3.2. Introduction 40
3.3. Methods 44
3.3.1. Construction and materials 44
3.3.2. Selection and characterization of resin 45
3.3.3. Preparation of activated carbon with alcohol tracers 47
3.3.4. Deployment and retrieval procedure 49
3.3.5. Analysis and data treatment 49
3.3.6. Field testing of hyporheic passive flux meters (HPFMs) 51
3.4. Results 56
3.4.1. Laboratory experiments 56
3.4.2. Field testing 56
3.5. Discussion 63
3.6. Conclusion and Outlook 69
3.7. References 70
4. Hyporheic passive flux meters reveal unexpected source-sink behavior of nitrogen in an anthropogenically modified stream (Holtemme, Germany) 79
4.1. Abstract 79
4.2. Introduction 80
4.3. Methods 82
4.3.1. Study site 83
4.3.2. Instrumental set-up 84
4.3.3. Deriving hyporheic denitrification rates 89
4.2. Results 92
4.2.1. Hyporheic nutrient fluxes and Darcy velocities 92
4.2.2. Nutrient concentrations in pore water 94
4.2.3. O2 and temperature 94
4.2.4. Hyporheic residence time and denitrification 95
4.5. Discussion 97
4.5.1.Darcy velocities and angle of hyporheic flow 97
4.5.2. Biotic activity 98
4.5.3. Extent of active hyporheic zone 98
4.5.4. The effect of redox conditions and residence time on the NO3 source-sink function of the Hyporheic zone 99
4.5.5. Anthropogenic influence on water quality 101
4.6. Conclusions 102
4.7. References 104
5. Discussion 110
5.1. Evaluation of the new methodology 110
5.1.1. High frequency measurements of nitrogen removal in rivers 110
5.1.2. Hyporheic passive flux meter for the quantification of nutrient fluxes 113
5.2. Results from the field studies and scientific implications 115
5.2.1. Nitrogen processing in aquatic ecosystems 115
5.2.2. Reach scale nitrogen dynamics in the Weiße Elster 117
5.2.3. Hyporheic nutrient fluxes at the Holtemme 120
5.3. Moving beyond and Outlook 123
5.3.1. Scaling and representability 124
5.3.2. Modified ecosystems 128
6. References 130
Note on the commencement of the doctoral procedure 151
Curriculum Vitae 152
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:30836 |
| Date | 22 December 2017 |
| Creators | Kunz, Julia Vanessa |
| Contributors | Borchardt, Dietrich, Rode, Michael, Schirmer, Mario, Weitere, Markus, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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