Spatial heterogeneity of water pathways in degenerated riverine peatlands

SummaryRiverine peatlands are hydrological buffer zones between terrestrial and aquatic ecosystems. Under natural conditions they fulfil important ecological functions such as nutrient retention, flood mitigation and conservation of wetland biocoenoses. In Western Europe, most riverine peatlands have lost these functions due to increased drainage and land use intensity. Before starting restoration measures in degenerated areas an analysis of the local hydrological conditions is required to assess potentials for nutrient retention and re-establishment of characteristic biocoenoses. In this study, we carried out such an analysis in a degenerated riverine peatland of Northern Germany (Upper Eider valley). First, we characterized different water pathways according to their nutrient concentrations. The evaluation revealed three important pathways: (a) water of springs with high nitrate concentrations (medians between 4 and 21 mg l−1 NO3-N) and both low ammonium and ortho-phosphate concentrations; (b) water of springs with low nitrate concentrations; and (c) water of peat drains with low nitrate concentrations but both high ammonium (medians between 0.6 and 1.4 mg l−1 NH4-N) and ortho-phosphate concentrations (medians between 0.07 and 0.17 mg l−1 PO4-P). A hydrochemical screening in two subareas pointed out, that the heavily drained subarea was characterized by a high density of drains and oxic, nitrate-polluted springs near the sandy slopes. In this subarea, potential for nutrient input to the river was higher than in the weakly drained subarea, in which drains were lacking and nitrate entering the peatland by shallow groundwater was denitrified. Spatial heterogeneity of water pathways was high in both subareas. We concluded, that a screening of all pathways is necessary to assess the restoration potentials of degenerated riverine peatlands. In some cases, pathways such as drains or ditches without contact to springs can be characterized in the area without measurements of their nutrient concentrations. In other cases, such measurements are indispensable to distinguish between different springs. However, our results have also shown, that a single measurement is sufficient to characterize also these water pathways.

ZusammenfassungFlusstalmoore sind hydrologische Pufferzonen zwischen terrestrischen und aquatischen Ökosystemen. Unter natürlichen Bedingungen erfüllen sie wichtige ökologische Funktionen wie die Fähigkeit zum Nährstoff- und Wasserrückhalt. Außerdem sind sie Lebensraum für typische Biozönosen von Feuchtgebieten. In Mitteleuropa haben die meisten Flusstalmoore diese Funktionen als Folge von Entwässerung und Nutzungsintensivierung verloren. Bevor Renaturierungsmaßnahmen in degenerierten Systemen durchgeführt werden, ist eine Analyse der hydrologischen Bedingungen unabdingbar. In dieser Studie präsentieren wir eine solche Analyse für ein typisches Flusstalmoor Norddeutschlands (Oberes Eidertal). Zuerst untersuchten wir unterschiedliche Wasserpfade hinsichtlich ihrer Nährstoffkonzentrationen. Die Auswertung ergab drei bedeutende Wasserpfade: (a) Quellen mit hohen Nitrat-, aber niedrigen Ammonium- und Phosphatkonzentrationen, (b) Quellen mit niedrigen Nitratkonzentrationen und (c) Dränagen mit ebenfalls niedrigen Nitrat-, aber hohen Ammonium- und Phosphatkonzentrationen. Ein hydrologisches Screening in zwei Teilgebieten zeigte, dass die intensiv entwässerte Teilfläche einen hohen Anteil an Dränagen und oxischen, Nitrat-belasteten Quellen nahe der sandigen Hänge aufwies. In dieser Teilfläche war das Potential für Nährstoffeinträge in die Eider höher als in der schwach entwässerten Teilfläche, in der Dränagen fehlten und das von den Hängen in die Moore eingetragene Nitrat im Torfkörper denitrifiziert wurde. In beiden Teilgebieten stellten wir eine hohe räumliche Heterogenität der Wasserpfade fest. Die Ableitung von flächenscharfen Renaturierungspotentialen in degenerierten Flusstalmooren erfordert daher die Erfassung aller im betrachteten Gebiet auftretenden Wasserpfade. Dabei können einige Wasserpfade, wie zum Beispiel Dränagen oder Gräben ohne Kontakt zu Quellen ohne aufwendige Messungen der Nährstoffkonzentrationen im Gelände charakterisiert werden. In anderen Fällen, zum Beispiel bei der Lokalisierung unterschiedlicher Quellen, kann auf Messungen keinesfalls verzichtet werden. Die hydrochemischen Ergebnisse zeigten außerdem, dass eine einmalige Messung ausreicht, um auch diese Wasserpfade hinreichend genau zu kennzeichnen.