Bewertung ökologischer Zustand

Für die Bewertung mit Phytoplankton werden immer ganze Jahrgänge betrachtet. Es wird mit mindestens sechs Probenahmen ein Jahresgeschehen meist von März bis Oktober oder November bewertet.

Die Bewertung erfolgt auf drei Ebenen der Bestimmungstiefe der Algen:

  • Metric Biomasse: anhand Gesamtbiomasse
  • Metric Algenklassen: anhand der Zusammensetzung der Algenklassen
  • Metric Phytoplankton-Taxa-Seen-Index (PTSI): anhand Zusammensetzung der Arten

Die abschließende Bewertung eines Jahrgangs, der Phyto-See-Index (kurz PSI) wird durch eine gewichtete Mittelung der drei Teilmetrics errechnet. Der PSI nimmt Werte von 0,5 bis 5,5 ein und wird gemäß Tabelle 1 den fünf ökologischen Zustandsklassen der WRRL zugeordnet. Die Teilmetric-Ergebnisse werden ebenfalls im Wertebereich von 0,5 bis 5,5 ausgegeben, so dass auf jeder Ebene der Bewertung eine Beurteilung der ökologischen Qualität nach der Tabelle 1 möglich ist.

Metric bedeutet generell Maßzahl oder - im hier vorliegenden Zusammenhang - Bewertungszahl

Tab. 1: Mögliche Wertebereiche der Bewertungsergebnisse und ökologische Zustandsklasse.

Wertebereich der Metrics und
des PhytoSee-Index

Ökologische Zustandsklasse

0,50 – 1,50

1 = sehr gut

1,51 – 2,50

2 = gut

2,51 – 3,50

3 = mäßig

3,51 – 4,50

4 = unbefriedigend

4,51 – 5,50

5 = schlecht

Sowohl der Biomasse- als auch der Algenklassen-Metric besitzen weitere "Bewertungskriterien". Die gesamte PSI-Berechnung wird in dem Microsoft-Access-basierten Auswerteprogramm "PhytoSee" automatisiert durchgeführt.

Metric Biomasse

Der Biomasse-Metric besteht aus drei Teilmetrics:

  • Biovolumen-Saisonmittel
  • Chlorophyll-a-Saisonmittel
  • Chlorophyll-a-Maximum

Das Chlorophyll-a-Maximum in der Saison (= Vegetationsperiode = März/April – Oktober/November) sollte mindestens 1,25mal größer sein als das Saisonmittel. Liegt es darunter wird es nicht als Maximum angesehen und der Teilmetric entfällt.

Für die Biomasse-Kenngrößen stehen für jeden Phytoplanktontyp Bewertungsformeln zur Verfügung (s. Tabelle 2).

Tab. 2: Bewertungsformeln zur Berechnung der Teilmetric-Ergebnisse der Biomasse-Parameter am Beispiel des Phytoplankton-Seetyps 7.

Phytoplankton-Seetyp

Biomasse-Teilmetrics

Bewertungsfunktion
y = Bewertungszahl von 0,5-5,5
x = Wert des jeweiligen Teilmetrics

7

BV-Saisonmittel [mm3/l]

y = 1,6793 * ln (x) + 1,9635

Chlorophyll-a-Saisonmittel [µg/l]

y = 1,7271 * ln (x) - 0,4071

Chlorophyll-a-Maximum [µg/l]

y = 1,5366 * ln (x) - 1,1267

Der arithmetische Mittelwert der Teilergebnisse ergibt das Gesamtergebnis im Biomassemetric.

Metric Algenklassen

Für den Algenklassen-Metric wurde für jeden Seetyp bzw. jede Seetypgruppe eine eigene Kombination aus Algenklassen ausgewählt. Es kamen nur diejenigen Algenklassen zum Zug, die eine Zunahme der Trophie zuverlässig anzeigen.

So sind z. B. die Chlorophyceae in den calciumarmen Mittelgebirgsseen nicht geeignet, die Trophie anzuzeigen und bleiben dort unberücksichtigt. In den calciumreichen Seen sind sie dagegen meist geeignet (s. Tabelle 3). Der See wird umso schlechter bewertet, je höher deren Biomasse im Saisonmittel ansteigt. Die Cyanobakterien sind in allen Seetypen indikativ und werden oberhalb eines Biovolumen-Schwellenwertes zur Bewertung herangezogen.

Für jeden Phytoplanktontyp-Seetyp kommen zwischen zwei und vier z.T. kombinierte Teilmetrics zur Anwendung (s. Tabelle 3).

Tab. 3: Verwendung von Trophie-anzeigenden Algenklassen oder Algenklassen-Kombinationen in den Phytoplankton-Seetypen bzw. Seetyp-Gruppen. Saison = Vegetationsperiode (März/April – Oktober/November).

Ökoregion

Alpen &
Alpenvorland

Zentrales
Mittelgebirge

Norddeutsches
Tiefland

Phytoplankton-
Seetyp-Gruppe

Algenklasse oder
Algenklassen-Kombination

1
2
3

4

5
7

6.1
6.2
6.3

8
9

10.1
10.2
13

11.1
11.2
14

Kenngröße: Biovolumen-Mittelwert in der Saison (Sais) oder von Juli-Oktober (JO)

Bacillario- & Chlorophyceae

 

 

 

 

 

Sais

 

Chloro- & Cryptophyceae

JO

 

 

Sais

 

 

 

Chloro- & Euglenophyceae

Sais

 

 

 

 

 

 

Chlorophyceae

 

 

Sais

 

 

 

Sais

Bacillario- & Cryptophyceae

 

Sais

 

 

 

 

Sais

Cryptophyceae

 

 

Sais

 

Sais

Sais

 

Cryptophyceae & Cyanobacteria

Sais

Sais

 

 

 

 

Sais

Cyanobacteria

 

 

Sais

Sais

Sais

 

 

Dinophyceae & Cyanobacteria

 

 

 

 

 

JO

 

Kenngröße: Prozentualer Anteil der Algenklasse am Gesamtbiovolumen im Saisonmittel (Sais)

Chryso- & Dinophyceae

 

 

 

Sais

Sais

 

 

Chrysophyceae

 

 

Sais

 

 

Sais

 

Dinophyceae

 

Sais

 

 

 

 

 

In der Regel sind die Biovolumen-Saisonmittel der jeweiligen Algenklasse für die Metric-Berechnung am besten geeignet. Für manche Typen wird jedoch mit der Dominanz (relatives Biovolumen) oder mit dem Biovolumen-Sommermittel (Juli bis Oktober) ein besser korrelierendes Ergebnis erzielt. Z. B. sind bei den Chrysophyceen und Dinophyceen oftmals die Dominanzen indikativer (s. Tabelle 3) und nehmen mit zunehmender Degradation des Gewässers ab.

Für die Kenngrößen Saison- und Sommermittelwert stehen für jede Algenklasse und jeden Seetyp Bewertungsformeln zur Verfügung (s. Tabelle 4).

Tab. 4: Bewertungsformeln zur Berechnung der Teilergebnisse im Algenklassenmetric am Beispiel des Phytoplankton-Seetyps 7.

Phytoplankton-Seetyp

Algenklassen-Teilmetrics

Bewertungsfunktion
y = Bewertungszahl von 0,5-5,5
x = Wert des jeweiligen Teilmetrics

7

Chrysophyceae Saison (%),
Dominanz > 0,6%

y = -1,126 * ln (x) + 3,9802

Cryptophyceae Saison [mm³/l]

y = 1,5399 * ln (x) + 5,5609

Chlorophyceae Saison [mm³/l]

y = 1,009 * ln (x) + 5,5761

Cyanophyceae Saison [mm³/l],
BV > 0,3 mm³/l

y = 0,9915 * ln (x) + 3,589

Metric Phytoplankton-Taxa-Seen-Index (PTSI)

Die Trophie-Bewertung von Seen auf Basis von Indikatortaxa mit dem PTSI erfolgt in zwei Schritten:

Trophie-Klassifizierung (Schritt 1)

Das Indexergebnis wird in der Skala des Trophieindex nach LAWA (LAWA 2014) angegeben und liegt in der Regel zwischen 0,5 (= oligotroph) und 5 (= hypertroph) (s. Tabelle 5). In der Ausgabe "Gesamtbewertung" des PhytoSee-Auswertetools wird der Klassifikations-PTSI im hinteren Teil der Tabelle ebenfalls ausgegeben, der Spaltenkopf heißt "PTSI_Jahreswert".

Tab. 5: Ermittlung des trophischen Status eines Sees anhand des PTSI. Wertebereiche und Status entsprechend der LAWA-Trophieklassifizierung.

PTSI
(Skala wie LAWA-Index)

Trophieklasse

Kurzbezeichnung
Trophieklasse

0,5-1,5

oligotroph

oligo

> 1,5 – 2,0

mesotroph 1

meso1

> 2,0 – 2,5

mesotroph 2

meso2

> 2,5 – 3,0

eutroph 1

eu1

> 3,0 – 3,5

eutroph 2

eu2

> 3,5 – 4,0

polytroph 1

poly1

> 4,0 – 4,5

polytroph 2

poly2

> 4,5

hypertroph

hyper

Der PTSI wird mit einer gewichteten Mittelwertberechnung ermittelt. Für jeden Probenbefund wird ein PTSI errechnet. Es gehen folgende Größen ein:

 

TAWi  = Trophieankerwert des Indikatortaxons i
BV-Klassei = Biovolumenklasse des Indikatortaxons i
Stenökiefaktori = Stenökiefaktor des Indikatortaxons i


Der Trophieankerwert ist eine Verrechnungsgröße, in die der Verbreitungsschwerpunkt im Trophiespektrum eingeht. Der Stenökiefaktor gibt an, wie eng die Bindung des Taxons an den Trophieschwerpunkt ist. Er ist ein Maß für die Indikatorqualität, kann Werte zwischen 1 und 4 annehmen und ist umso höher, je zuverlässiger das Taxon die Trophie anzeigt. Die Einrechnung der Biovolumenklasse (Tabelle 6) berücksichtigt die "Häufigkeit" des Taxons in der Probe.

Tab. 6: Zuordnung der Taxonbiovolumina in der Probe zu den Biovolumenklassen.

Biovolumen (mm³/l)

Biovolumen-Klasse

Biovolumen (mm³/l)

Biovolumen-Klasse

≤ 0,0001

1

> 1-5

6

> 0,0001-0,001

2

> 5-25

7

> 0,001-0,01

3

> 25-300

8

> 0,01-0,1

4

> 300

9

> 0,1-1

5

 

 


Für die deutschen Phytoplanktontypen existieren insgesamt sechs Indikatorlisten, welche für die jeweiligen Seetypgruppen eingesetzt werden (s.  Tabelle 7).

Tab. 7: Phytoplankton-Indikatorlisten für die Phytoplanktontyp-Gruppen in den Ökoregionen. HTL = Harmonisierte Taxaliste, AWB = künstliche Wasserkörper, HMWB = erheblich veränderte Wasserkörper.

Phytoplankton-
Seetypen

Indikatorliste für

Anzahl der Indikator­taxa

Anzahl der
"angesprochenen"
Taxon-IDs in HTL

Kurzbe­zeichnung der Liste

1 bis 4

Alpen- und Alpenvorlandseen inkl. AWB/HMWB

129

209

AVA

5 bis 9

Mittelgebirgsseen
inkl. AWB/HMWB

117

160

MG

10.1, 10.2, 13

natürliche, geschichtete Seen des Norddeutschen Tieflands

115

173

TL_gesch

11.1, 11.2, 12, 14

natürliche, polymiktische Seen des Norddeutschen Tieflands

111

193

TL_poly

10.1k 10.2k 13k

geschichtete AWB, HMWB und Sondertypen des Norddeutschen Tieflands und der Niederungen großer Flüsse und Ströme, z. B. Oberrhein und Elbe

158

217

TgeschAWB

11.1k, 11.2k 12k, 14k

polymiktische AWB, HMWB und Sondertypen des Norddeutschen Tieflands und der Niederungen großer Flüsse und Ströme z. B. Oberrhein und Elbe

113

162

TpolyAWB

Jede Liste enthält zwischen 110 und 160 Indikatortaxa. Ist das Indikatortaxon eine Gattung, so werden alle in der HTL aufgeführten Arten der Gattung in die PTSI-Berechnung eingeschlossen. So wurden z. B. in der Mittelgebirgsliste 117 Indikatortaxa gefunden. Die Anzahl der in der HTL enthaltenen Taxa liegt bei 160 (s. Tabelle 7).

Jede Liste enthält zwischen 110 und 160 Indikatortaxa. Ist das Indikatortaxon eine Gattung, so werden alle in der HTL aufgeführten Arten der Gattung in die PTSI-Berechnung eingeschlossen. So wurden z. B. in der Mittelgebirgsliste 117 Indikatortaxa gefunden. Die Anzahl der in der HTL enthaltenen Taxa liegt bei 160 (s. Tabelle 8).

Tab. 8: Auszug aus der Indikatorliste für Mittelgebirgsseen. TAW = Trophieankerwert (Verrechnungsgröße im Index PTSI).

Liste

HTL-ID

Algenklasse

Indikatortaxon

Stenökie­faktor

TAW

MG

168

Conjugatophyceae

Closterium limneticum

1

4,9

MG

179

Chlorophyceae

Coelastrum astroideum

2

3,3

MG

184

Chlorophyceae

Coelastrum reticulatum

1

3,2

MG

216

Chlorophyceae

Crucigeniella pulchra

2

0,9

MG

227

Cryptophyceae

Cryptomonas reflexa

1

2,5

MG

1260

Bacillariophyceae

Cyclostephanos delicatus

2

5,5

MG

247

Bacillariophyceae

Cyclostephanos dubius

1

2,9

MG

248

Bacillariophyceae

Cyclostephanos invisitatus

1

2,9

MG

252

Bacillariophyceae

Cyclotella comensis

2

1,3

MG

254

Bacillariophyceae

Cyclotella cyclopuncta

1

1,4

MG

260

Bacillariophyceae

Cyclotella meneghiniana

2

4,3


Alle Indikatorlisten des PTSI sind im "Handbuch Phyto-See-Index" (Download) enthalten und stehen hier <Link zu PTSI-Indikatortaxa> als Exceldatei zur Verfügung.

Der PTSI-Jahreswert ist der Mittelwert aller PTSI-Probenwerte. Die Bildung eines Saisonmittelwertes ist im Normalfall nicht notwendig. Das Zwischenergebnis PTSI pro Probe kann für die Interpretation der Bewertungsergebnisse eine Hilfe sein. Die Grenze einer sicheren Trophie-Indikation mit dem PTSI liegt bei mindestens vier Indikatortaxa pro Probe im Jahresmittel.

Trophie-Bewertung (Schritt 2)

Das Metric-Ergebnis des PTSI wird unter Berücksichtigung des seetypspezifischen trophischen Referenzwerts (Einheiten des LAWA-Index) berechnet. Die Abweichung des PTSI von der Referenzsituation wird in eine Bewertungszahl zwischen 0,5 und 5,5 umgerechnet. Diese gibt die ökologische Qualität an und es können die ökologischen Zustandsklassen der WRRL von 1 bis 5 zugeordnet werden.

Der Metric PTSI wird mit folgender Formel aus der PTSI-Trophieklassifikation berechnet:

Metric PTSI = 0,5 + (PTSI-Jahreswert – trophischer Referenzwert) * 2

Die trophischen Referenzwerte sowie die Verankerung der ökologischen Zustandsklassen in der Skala des LAWA-Index sind je nach Phytoplanktontyp unterschiedlich festgelegt und in der Tabelle 9 enthalten.

Tab. 9: Trophische Referenzwerte für die Phytoplankton-Seetypen in der Skala des LAWA-Trophie-Index und Lage der ökologischen Zustandsklassen im LAWA-Trophiesystem.

Phyto­plankton-
Seetyp

trophischer Referenzwert

trophischer Referenz­
zustand
Obergrenze

sehr gut/
gut

gut/
mäßig

mäßig/
unbefriedigend

unbefriedigend/
schlecht

Alpen und Alpenvorland

4

0,75

oligo

1,25

1,75

2,25

2,75

3

1.00

oligo

1.50

2.00

2.50

3.00

2

1,25

meso1

1,75

2,25

2,75

3,25

1

1,25

meso1

1,75

2,25

2,75

3,25

Zentrale Mittelgebirge

7 / 9

1,00

oligo

1,50

2,00

2,50

3,00

5 / 8

1,25

meso1

1,75

2,25

2,75

3,25

6.1

1,75

meso2

2,25

2,75

3,25

3,75

6.2

2,00

meso2

2,50

3,00

3,50

4,00

6.3

2,25

eu1

2,75

3,25

3,75

4,25

Norddeutsches Tiefland*

13

1,25

meso1

1,75

2,25

2,75

3,25

10.1

1,50

meso1

2,00

2,50

3,00

3,50

10.2

1,75

meso2

2,25

2,75

3,25

3,75

14

1,75

meso2

2,25

2,75

3,25

3,75

11.1

2,00

meso2

2,50

3,00

3,50

4,00

11.2

2,25

eu1

2,75

3,25

3,75

4,25

12

2,75

eu2

3,00

3,50

4,00

4,50

* Im Tiefland erhalten AWB, HMWB sowie Sondertypen hinter der Seetypnummer das Suffix "k", z. B. 13k. AWB, HMWB und Sondertypen natürlicher Seen, die in Niederungen größerer Flüsse und Ströme liegen, werden in der Regel im "ähnlichsten" Phytoplanktontyp des Tieflands am stimmigsten bewertet und bekommen in ihrer Typbezeichnung ebenfalls das k-Suffix.

Gesamtbewertung Phyto-See-Index (PSI)

Für die PSI-Gesamt-Bewertung sind die drei oben beschriebenen Metrics mit einer gewichteten Mittelwertbildung zusammen zu fassen. Die Gewichtungen der Metrics hängen von deren Eignung im jeweiligen Seetyp ab (Beispiele s. Tabelle 10).

Als Maß für die Eignung wurden die Korrelationen der Metrics zur Belastung Gesamtphosphor und Trophie ermittelt und miteinander verglichen.

Die Berechnungsformel für die PSI-Gesamtbewertung lautet:

Tab. 10: Seetypspezifische Gewichtungsfaktoren für die Metrics zur Berechnung des Phyto-See-Index. Beispiele: Alpensee Typ 4, geschichtete Mittelgebirgsseen Typ 5-9 ohne 6, geschichteter See im Tiefland Typ 13 sowie Flachsee im Tiefland Typ 11.2.

Phytoplankton-Seetyp

BM-Metric

AK-Metric

PTSI-Metric

4

2

1

4

5, 7, 8 und 9

3

2

3

13

4

1

2

11.2

4

2

1

Das Gesamtergebnis PSI sollte in jedem Fall mit den Eingangsdaten und anhand von Vergleichsjahrgängen plausibilisiert werden. Da alle Teilmetrics die Belastung "Nährstoffe und Trophie" anzeigen sollen, müssten diese weitgehend gleichsinnig reagieren. Größere Abweichungen der Teilmetrics voneinander geben oft Hinweise auf Besonderheiten des Jahrgangs oder der Witterung.

Unplausible oder abweichende Ergebnisse können durch Effekte in der planktischen Nahrungskette verursacht werden. Hier kommt den Fischen oder dem Fischbesatz und den natürlichen Fressfeinden des Phytoplanktons ‑ dem Zooplankton ‑ eine besondere Rolle zu.

Zur Abschätzung des Zooplankton-Fraßdrucks auf das Phytoplankton und der Frage, ob die Phytoplanktonbewertung durch Fraßeffekte beeinflusst wird, wurde das sog. PhytoLoss-Modul entwickelt. In diesem werden synchron erfasste Phyto- und Zooplanktonbefunde miteinander verschnitten. Die Anwendung des PhytoLoss-Moduls gibt Aufschluss über quantitative Effekte im planktischen Nahrungsnetz bis hin zum Fischbestand. Es trägt zur Absicherung und Plausibilisierung der Bewertung mit dem Phyto-See-Index bei.

Die Beschreibung des Verfahrens nach Deneke et al. (2015) (Kurzanleitung und Anleitung) sowie das Berechnungstool von Deneke et al. (2016) stehen als Download zur Verfügung.