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In littoral zones of lakes, multiple processes determine lake ecology and water quality. Lacustrine groundwater discharge (LGD), most frequently taking place in littoral zones, can transport or mobilize nutrients from the sediments and thus contribute significantly to lake eutrophication. Furthermore, lake littoral zones are the habitat of benthic primary producers, namely submerged macrophytes and periphyton, which play a key role in lake food webs and influence lake water quality. Groundwater-mediated nutrient-influx can potentially affect the asymmetric competition between submerged macrophytes and periphyton for light and nutrients. While rooted macrophytes have superior access to sediment nutrients, periphyton can negatively affect macrophytes by shading. LGD may thus facilitate periphyton production at the expense of macrophyte production, although studies on this hypothesized effect are missing. The research presented in this thesis is aimed at determining how LGD influences periphyton, macrophytes, and the interactions between these benthic producers. Laboratory experiments were combined with field experiments and measurements in an oligo-mesotrophic hard water lake. In the first study, a general concept was developed based on a literature review of the existing knowledge regarding the potential effects of LGD on nutrients and inorganic and organic carbon loads to lakes, and the effect of these loads on periphyton and macrophytes. The second study includes a field survey and experiment examining the effects of LGD on periphyton in an oligotrophic, stratified hard water lake (Lake Stechlin). This study shows that LGD, by mobilizing phosphorus from the sediments, significantly promotes epiphyton growth, especially at the end of the summer season when epilimnetic phosphorus concentrations are low. The third study focuses on the potential effects of LGD on submerged macrophytes in Lake Stechlin. This study revealed that LGD may have contributed to an observed change in macrophyte community composition and abundance in the shallow littoral areas of the lake. Finally, a laboratory experiment was conducted which mimicked the conditions of a seepage lake. Groundwater circulation was shown to mobilize nutrients from the sediments, which significantly promoted periphyton growth. Macrophyte growth was negatively affected at high periphyton biomasses, confirming the initial hypothesis. More generally, this thesis shows that groundwater flowing into nutrient-limited lakes may import or mobilize nutrients. These nutrients first promote periphyton, and subsequently provoke radical changes in macrophyte populations before finally having a possible influence on the lake’s trophic state. Hence, the eutrophying effect of groundwater is delayed and, at moderate nutrient loading rates, partly dampened by benthic primary producers. The present research emphasizes the importance and complexity of littoral processes, and the need to further investigate and monitor the benthic environment. As present and future global changes can significantly affect LGD, the understanding of these complex interactions is required for the sustainable management of lake water quality. Im Uferbereich von Seen bestimmen eine Vielzahl von Prozessen das ökologische Gefüge und die Wasserqualität. Grundwasserzustrom, welcher häufig im Uferbereich eines Sees auftritt, kann zum Import von Nährstoffen führen und so signifikant zur Eutrophierung eines Gewässers beitragen. Darüber hinaus bildet der Uferbereich von Seen das Habitat für benthische Primärproduzenten wie Makrophyten (Wasserpflanzen) und Periphyton (Aufwuchs), welche eine Schlüsselrolle im Nahrungsnetz von Seen einnehmen und deren Wasserqualität beeinflussen können. Der durch Grundwasser gesteuerte Eintrag von Nährstoffen kann sich unterschiedlich auf die um Licht und Nährstoffe konkurrierenden Makrophyten und Periphyton auswirken. Während Makrophyten häufig über Wurzeln verfügen und damit Nährstoffe aus dem Sediment aufnehmen, kann Periphyton zu einer Beschattung der Makrophyten beitragen. Grundwasserzustrom könnte deshalb durch Nährstoffzufuhr das Wachstum von Periphyton fördern und damit zu einer Abnahme der Makrophytenabundanz führen. Die in dieser Doktorarbeit vorgestellten Forschungsergebnisse zeigen den Einfluss von einströmendem Grundwasser in Seen auf Makrophyten und Periphyton, und insbesondere die Interaktionen zwischen diesen beiden benthischen Primärproduzenten. Dafür wurden Laborexperimente, sowie Feldexperimente und Messungen in einem oligo-mesotrophen, kalkreichen See miteinander kombiniert. In der ersten Studie wurden im Rahmen einer Literaturrecherche die Auswirkungen des Einstroms von Grundwasser auf das Wachstum von Makrophyten und Periphyton untersucht. Dafür wurden Einträge von Nährstoffen sowie anorganischem und organischem Kohlenstoff berücksichtigt und abschließend ein Konzept entwickelt, das die Interaktion zwischen benthischen Primärproduzenten betrachtet. Die zweite Studie zeigt den Einfluss von Grundwasser auf das Wachstum von Periphyton im geschichteten, oligo-mesotrophen, kalkreichen Stechlinsee (Brandenburg) auf der Basis von Freilanduntersuchungen und -experimenten. Es konnte nachgewiesen werden, dass einströmendes Grundwasser Phosphor aus dem Sediment mobilisiert und so das Wachstum von Periphyton signifikant fördert. Dies war insbesondere am Ende des Sommers relevant, wenn Phosphor im Epilimnion nur noch in sehr geringer Konzentration vorlag. Der Fokus der dritten Studie liegt auf den potenziellen Auswirkungen des Einstroms von Grundwasser auf die Makrophyten in flachen Litoralbereichen des Stechlinsees. Die in den letzten Jahrzehnten beobachteten Veränderungen in der Abundanz und Artenzusammensetzung der Makrophyten, insbesondere der Rückgang der Armleuchteralgen, könnten auch auf Veränderungen im Einstrom von Grundwasser zurückzuführen sein. In der letzten Studie wurden in einem Laborexperiment der Grundwasserzustrom ins Litoral simuliert, um die kombinierte Auswirkung auf Makrophyten- und Periphytonentwicklung unter kontrollierten Umweltbedingungen zu testen. Die Ergebnisse bestätigen die Hypothese, dass die durch den Grundwasserzustrom mobilisierten Nährstoffe aus dem Sediment das Wachstum von Periphyton fördern. Oberhalb eines Grenzwertes der Periphytonbiomasse wird die Entwicklung von Makrophyten behindert. Die vorliegende Arbeit zeigt, dass einströmendes Grundwasser zur Mobilisierung und zum Import von Nährstoffen in Seen führen kann und damit weitreichende Konsequenzen für das ökologische Gefüge und die Wasserqualität haben kann. Die grundwassergesteuerte Nährstoffzufuhr fördert das Wachstum von Periphyton und führt bei genügend großer Periphytonbiomasse zu Änderungen der Makrophytenpopulation bis hin zum Verlust. Die Arbeit verdeutlicht die Relevanz und Komplexität von Prozessen im Litoral von Seen und zeigt zugleich die Notwendigkeit auf, diese benthische Habitate tiefgreifender zu untersuchen. Da globale Veränderungen des Klimas einen weitreichenden Einfluss auf den Grundwassereinstrom in Seen haben können, ist es von entscheidender Bedeutung, die komplexen Auswirkungen dieser Prozesse zu verstehen, um einen nachhaltigen Schutz dieser Ökosysteme zu gewährleisten. |
