Macrophyten en nutriënt dynamiek: proces en veldstudies in de bovenlopen van rivieren - MANUDYN II. (FASE 1 en Fase 2) Macrophytes and nutrient dynamics: process and field studies in the upper reaches of river basins - MANUDYN II. (FASE 1 en Fase 2)

De troebelheid in onze rivieren is in het algemeen sterk gedaald sinds de rioolwaterzuiveringsinstallaties (RWZI's) werkzaam zijn. De verhoogde lichtbeschikbaarheid heeft het kiemen en daaropvolgend de groei van waterplanten mogelijk gemaakt. Enorme biomassa's waterplanten ontwikkelen zich doordat de beschikbare anorganische nutriëntenconcentraties (NH4+, NO2-, NO3- en PO43-), deels afkomstig van intensieve landbouw maar ook van huishoudelijk en industriële activiteiten wegens onze dichtbevolkte regio's, nog steeds vrij hoog zijn.

De aanwezigheid van deze macrofyten wijzigt de hydraulische eigenschappen van de rivieren in die zin dat waterafvoer gehinderd wordt en het risico op overstromingen sterk verhoogt (Sand-Jensen, 1998; Stephan & Gutknecht, 2002; Trepel et al., 2003). Een van de meest gebruikte beheersmaatregelen is dan ook het maaien van de macrofyten om overstromingen in bebouwde gebieden te vermijden.

Het Manudyn I project heeft zich vooral gefocused op de rol die macrofyten hebben in de nutriëntcyclering in het Netebekken. Resultaten tonen dat macrofyten wel degelijk een impact hebben op de nutriëntenbalans in rivieren. Bijkomend is er aangetoond dat bepaalde macrofyten ook zware metalen uit het sediment, zoals koper, opnemen en die dus een belangrijke, natuurlijk zuiverende rol kunnen spelen. Toch zijn de onderliggende mechanismen die deze macrofyt-nutriënt interacties beïnvloeden niet helemaal duidelijk. Opname mechanismen en nutriëntbronnen (sediment of oppervlaktewater), de opslag in de plant en eventueel de vrijstelling van nutriënten en metalen in het water zijn slechts vaag gedefinieerd. Worden nutriënten en metalen vooral in de biomassa van de macrofyten opgeslagen? Of kunnen zij beschouwd worden als een overgangscompartiment die nutriënten en metalen oppompen om deze daarna af te geven aan de waterfase? En wat gebeurt er wanneer de macrofyten afsterven in het najaar? Wat is de invloed van temperatuur en lichtintensiteit op de groei en het afsterven van macrofyten? Verder toonde het Manudyn I project dat er duidelijke verschillen bestaan in het opnamegedrag tussen verschillende macrofytensoorten.

Het Manudyn II project zal zich daarom vooral toespitsen op processtudies. Het doel is hier om duidelijkheid te scheppen over de opname, de opslag en de vrijstelling van nutriënten en metalen gerelateerd aan de groei en het afsterven van enkele veel voorkomende macrofyten en deze relaties te beschrijven. De resultaten zullen gebruikt worden om nieuwe modellen te ontwikkelen die processen op verschillende schaalniveaus beschrijven en om de modellen uit het eerste Manudyn project te verfijnen.



Dit project zal uitgevoerd worden aan de hand van verschillende werkpakketten. Het eerste werkpakket zal alle kleinschalige experimenten omvatten, namelijk op het niveau van één enkel individu van een macrofytensoort. Het tweede werkpakket pakt het onderzoek op het niveau van een macrofytenpatch aan en het derde werkpakket bestaat uit veldexperimenten met verschillende macrofytenpatches.

In een vierde en laatste werkpakket zullen de resultaten modelmatig en op verschillende schalen benaderd worden.



Eén van de doelstellingen van het eerste werkpakket bestaat erin fluxen van opname/afgifte van nutriënten voor sommige macrofytensoorten en algen te definiëren als functie van lichtintensiteit, temperatuur en van NH4+ en NO3- concentraties. O2 and CO2 productie of verbruik zal nagegaan worden met een foto bioreactor systeem. Deze experimenten zullen uitgevoerd worden in korte tijdsspannes en op verschillende tijdstippen in het groeiseizoen met isotopische verdunningstechnieken. De groei, het afsterven en de concentraties aan N, P en C in de biomassa van de planten zullen bestudeerd worden groei- en decompositie-experimenten op lange termijn (verschillende maanden) als functie van lichtintensiteit, temperatuur, NH4+ en NO3- concentraties en ook de invloed van bacteriën en fungi zal getest worden.

Verder zal de interactie tussen macrofytenwortels en het sedimentporiënwater, aangaande de nutriënten, onderzocht worden door het sediment en de wortels te scheiden van het oppervlaktewater en de bovengrondse biomassa. Dit zal zowel met artificieel als met reëel sediment gebeuren. Om deze strict macrofyt gerelateerde nutriënt- en elementprocessen te begrijpen, is het noodzakelijk dat ook de epibenthische uitwisseling tussen sediment (zonder macrofyten) en water gekend is. Deze experimenten zullen in cilindrische potten uitgevoerd worden. Bovendien wordt de interactie plant-sediment-water ook in situ uitgevoerd met speciaal daarvoor voorziene cilindrische potten die rond de macrofyten in het veld worden geplaatst. Om deze drie voorgenoemde processen te achterhalen, worden isotopische technieken gebruikt.

Een aantal extra expirementen zullen worden uitgevoerd om de relatie tussen koper en sommige macrofytensoorten te achterhalen. Koper-verontreinigde sedimenten met macrofyten zullen vergeleken worden met niet-verontreinigde sedimenten met macrofyten en hetzelfde zal vergeleken worden zonder macrofyten. Koper zal in alle compartimenten opgevolgd worden; het poriewater van het sediment, het oppervlaktewater en in de biomassa.



In het tweede werkpakket zal het effect van variabele hydraulische condities onderzocht worden door middel van isotopische technieken. In een grote stroomgoot zullen verschillende stroomsnelheden opgelegd worden om nutriëntopname en O2/CO2 productie of consumptie na te gaan op verschillende locaties in macrofytenpatches met verschillende dichtheden. In de tweede plaats zal de brekingssterkte van enkele macrofytensoorten bepaald worden.



In het derde werkpakket zal nutriëntopname in situ, in twee riviersecties met macrofytenpatches (één sectie in de Aa en één in de Semois), onderzocht worden. Twee types van veldstroomgoten zullen opgesteld worden in elke riviersectie: het eerste type zal de afvoer in de ene stroomsectie doen versnellen, het tweede type zal in de parallelle stroomsectie de stroming doen vertragen. Isotopische technieken zullen gebruikt worden om verschillen in opname tussen de types veldstroomgoten na te gaan en op verschillende locaties in de macrofytenpatches.



Het modelerings werkpakket bestaat uit twee belangrijke doelstellingen: een instrument voor data en experiment analyse en de ontwikkeling van dynamisch mechanistische macrofyt modellen, met als eindproduct een gebruiksvriendelijk instrument voor waterbeheerders dat antwoorden biedt op de rol van macrofytendynamiek op waterkwaliteit in rivieren.

Modellen zullen op verschillende niveaus ontwikkeld worden, gaande van macrofyt groeimodellen van verschillende species tot modellen in functie van omgevingscondities (licht, nutriënten, ...) via het gedrag in patches tot de integratie ervan op ecosysteemniveau. Het ecosysteemmodel van een rivier met macrofyten kan gebruikt worden als een middel om scenario's te bestuderen van macrofytenverwijdering en daarmee het effect op nutriëntenopslag of -verwijdering en van het schatten van het functioneren van een ecosysteem na herstelprojecten.