Influence of global change on phytoplankton and nutrient cycling in the Elbe River

Regional Environmental Change

Volumn 11, Issue 2, 2011, Pages 405-421

  Quiel, Katrin ^a,b   Becker, Annette ^a   Kirchesch, Volker ^a   Schöl, Andreas ^a   Fischer, Helmut ^a  

^a FEDERAL INSTITUTE OF HYDROLOGY   (Germany)

^b LEIBNIZ INSTITUTE OF FRESHWATER ECOLOGY AND INLAND FISHERIES   (Germany)

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Climate change; Elbe; Nutrients; Phytoplankton; River; Water quality model

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ALGAE;

EID: 79958058974     PISSN: 14363798     EISSN: 1436378X     Source Type: Journal    
DOI: 10.1007/s10113-010-0152-2     Document Type: Article

References (76)

1. Allan JD (2004) Landscapes and riverscapes: the influence of land use on stream ecosystems. Annu Rev Ecol Evol Syst 35: 257-284.
2. Allan JD, Palmer M, Poff NL (2005) Climate change and freshwater ecosystems. In: Lovejoy TE, Hannah L (eds) Climate change and biodiversity. Yale University Press, New Haven, pp 272-290.
3. ARGE-Elbe (2008) Arbeitsgemeinschaft für die Reinhaltung der Elbe. Zahlentafeln. http://www. arge-elbe. de (2010-06-16).
4. Arhonditsis GB, Brett MT (2004) Evaluation of the current state of mechanistic aquatic biogeochemical modeling. Mar Ecol Prog Ser 271: 13-26.
5. Baird ME, Emsley SM (1999) Towards a mechanistic model of plankton population dynamics. J Plankton Res 21: 85-126.
6. Behrendt H (2008) Auswirkungen des Globalen Wandels auf die Nährstoffeinträge und Frachten im Elbeeinzugsgebiet. In: Wirkungen des globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im Elbegebiet-Risiken und Optionen. Schlussbericht zum BMBF-Vorhaben GLOWA-Elbe II, Kapitel 4. 1.
7. Behrendt H, Opitz D, Schmoll O, Scholz G (2004) Einzugsgebietsbezogene Nährstoffeinträge und frachten. In: Becker A, Lahmer W (eds) Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft. Weißensee-Verlag, Berlin, pp 127-151.
8. Blazejczak J, Gornig M, Schulz E(2008) Szenarien zur Demographie und Ökonomie in der Elbe Region. In: Wirkungen des globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im Elbegebiet-Risiken und Optionen. Schlussbericht zum BMBF Vorhaben GLOWA Elbe II, Kapitel 2. 3.
9. Böhme M (2006) Distribution of water quality parameters in two cross-sections of the river Elbe measured with high local, temporal, and analytic resolution. Acta hydrochimica et hydrobiologica 34: 201-213.
10. Brunke M (2006) Meio- und Makrofauna des Buhnenfeldes. In: Pusch M, Fischer H (eds) Stoffdynamik und Habitatstruktur in der Elbe-Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft. Weissensee Verlag, Berlin, pp 120-139.
11. Canale RP (1976) Modeling biochemical processes in aquatic ecosystems. Ann Arbor Science Publishers, Ann Arbor.
12. Caraco NF, Cole JJ, Strayer DL (2006) Top-down control from the bottom: regulation of eutrophication in a large river by benthic grazing. Limnol Oceanogr 51: 664-670.
13. Cerco CF, Noel MR, Tillman DH (2004) A practical application of Droop nutrient kinetics. Water Res 38: 4446-4454.
14. Christensen JH, Hewitson B, Busuioc A (2007) Regional climate projections. In: Solomon S, Qin D, Mannaning M, Chen Z, Marquis M, Averyt KB, Tignor M, Miller HL et al (eds) Climate Change 2007: the physical science basis. Contribution of working group I to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. Cambridge University Press, Cambridge.
15. Conrad T, Hattermann F (2008) Simulation von räumlich differenzierten Abflussdargebotsszenarien und landwirtschaftlichen Ertragspotentialen für das Elbegebiet mit dem ökohydrologischen Modell SWIM. In: Wirkungen des globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im Elbegebiet-Risiken und Optionen. Schlussbericht zum BMBF-Vorhaben GLOWA-Elbe II, Kapitel 2. 2.
16. DeAngelis DL, Mooij WM (2003) In praise of mechanistically rich models. In: Canham CD, Cole JJ, Lauenroth WK (eds) Models in ecosystem science. Princeton University Press, Princeton.
17. Deutsch B, Voss M, Fischer H (2009) Nitrogen transformation processes in the Elbe River: distinguishing between assimilation and denitrification by means of stable isotope ratios in nitrate. Aquat Sci 71: 228-237.
18. Di Toro DM (1980) Applicability of cellular equilibrium and Monod theory to phytoplankton growth kinetics. Ecol Model 8: 201-218.
19. Ducharne A, Baubion C, Beaudoin N, Benoit M, Billen G, Brisson N, Garnier J, Kieken H, Lebonvallet S, Ledoux E, Mary B, Mignolet C, Poux X, Sauboua E, Schott C, Théry S, Viennot P (2007) Long term prospective of the Seine River system: confronting climatic and direct anthropogenic changes. Sci Total Environ 375: 292-311.
20. Dumont HJ, van de Velde I, Dumont S (1975) The dry weight estimate of biomass in a selection of Cladocera, Copepoda and Rotifera from the plankton, periphyton and benthos of continental waters. Oecologia 19: 75-97.
21. Elliott JA, Thackeray SJ, Huntinford C, Jones RG (2005) Combining a regional climate model with a phytoplankton community model to predict future changes in phytoplankton in lakes. Freshw Biol 50: 1404-1411.
22. Ellner SP, Guckenheimer J (2006) Dynamic models in biology. Princeton University Press, Princeton.
23. Fischlin A, Midgley GF, Price JT, Leemans R, Gopal B, Turley C, Rounsevell MDA, Dube OP, Tarazona F, Velichko AA (2007) Ecosystems, their properties, goods, and services. Climate change 2007: impacts, adaptation and vulnerability. Contribution of working group II to the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change. In: Parry ML, Canziani OF, Palutikof JP, van der Linden PJ, Hanson CE (eds), Cambridge University Press, Cambridge, pp 211-272.
24. Garnier J, Billen G, Coste M (1995) Seasonal succession of diatoms and chlorophyceae in the drainage network of the Seine River: observations and modeling. Limnol Oceanogr 40(4): 750-765.
25. Gentile JH, Maloney TE (1969) Toxicity and environmental requirements of a strain of Aphanizomenon flos-aquae (L.) Ralfs. Can J Microbiol 15: 165-173.
26. Gerstengarbe F-W, Werner PC, Orlowsky B, Wodinski M (2008) Modellierung der regionalen Klimaentwicklung. In: Wirkungen des globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im Elbegebiet-Risiken und Optionen. Schlussbericht zum BMBF-Vorhaben GLOWA-Elbe II, Kapitel 2. 1.
27. Hagemann S, Jacob D (2007) Gradient in the climate change signal of European discharge predicted by a multi-model ensemble. Clim Change 81: 309-327.
28. Hartje V (2008) Regionalisierung der Szenarioanalyse (der Antriebskräfte und des Nutzungsdruckes) des globalen Wandels für die Wasserwirtschaft. In: Wirkungen des globalen Wandels auf den Wasserkreislauf im Elbegebiet-Risiken und Optionen. Schlussbericht zum BMBF-Vorhaben GLOWA-Elbe II, Kapitel 2.
29. Hattermann FF, Gömann H, Conradt T, Kaltofen M, Kreins P, Wechsung F (2007) Impacts of global change on water-related sectors and society in a trans-boundary central European river basin-Part 1: project framework and impacts on agriculture. Adv Geosci 11: 85-92.
30. Hayward RS, Gallup DN (1976) Feeding, filtering and assimilation in Daphnia schodleri Sars as affected by environmental conditions. Archiv für Hydrobiologie 77: 139-163.
31. Hilferink M, Rietveld P (1999) LAND USE SCANNER: an integrated GIS based model for long term projections of land use in urban and rural areas. J Geogr Inf Syst 1: 155-177.
32. Holst H (2006) Zooplankton im Pelagial des Hauptstroms. In: Pusch M, Fischer H (eds) Stoffdynamik und Habitatstruktur in der Elbe-Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft. Weißensee Verlag, Berlin, pp 56-64.
33. Holst H, Zimmermann-Timm H, Kausch H (2002) Longitudinal and transverse distribution of plankton rotifers in the potamal of the river Elbe (Germany) during late summer. Int Rev Hydrobiol 87: 267-280.
34. IKSE (2005) Die Elbe und ihr Einzugsgebiet. International Commission for the Protection of the Elbe (ed), Magdeburg, 258 p.
35. Jeppesen E, Sondergaard M, Jensen JP et al (2005) Lake responses to reduced nutrient loading-an analysis of contemporary long-term data from 35 case studies. Freshw Biol 50: 1747-1771.
36. Jueg U, Zettler M (2004) Die Molluskenfauna der Elbe in Mecklenburg-Vorpommern mit Erstnachweis der Grobgerippten Körbchenmuschel Corbicula fluminea (O. F. Müller 1756). Mitteilungen der Naturforschenden Gesellschaft West-Mecklenburg 4(1): 85-89.
37. Justic D, Turner RE, Rabalais NN (2003) Climatic influences on riverine nitrate flux: implications for coastal marine eutrophication and hypoxia. Estuaries 26: 1-11.
38. Kirchesch V, Schöl A (1999) Das Gewässergütemodell QSim-ein Instrument zur Simulation und Prognose des Stoffhaushaltes und der Planktondynamik von Fließgewässern. Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 43: 302-308.
39. Kronvang B, Jeppesen E, Conley DJ, Søndergaard M, Larsen SA, Ovesen NB, Carstensen J (2005) Nutrient pressures and ecological responses to nutrient loading reductions in Danish streams, lakes and coastal waters. J Hydrol 304: 274-288.
40. Krysanova V, Hattermann F, Wechsung F (2005) Development of the ecohydrological model SWIM for regional impact studies and vulnerability assessment. Hydrol Process 19: 763-783.
41. Loague K, Green RE (1991) Statistical and graphical methods for evaluating solute transport models: overview and application. J Contam Hydrol 7: 51-73.
42. Max-Planck-Institut für Meteorologie (ed) (2006) Klimaprojektionen für das 21. Jahrhundert. Max-Planck-Institut für Meteorologie, Hamburg.
43. Mischke U (2006) Bundesweiter Praxistest eines Bewertungsverfahren für Phytoplankton in Fließgewässern Deutschlands zur Umsetzung der EU-Wasserrahmenrichtlinie-Verfahrensvereinfachung und -überprüfung mit Handbuchentwurf. LAWA-Projekt O 3. 05, LAWA (Länderarbeitsgemeinschaft Wasser). IGB, Berlin-Friedrichshagen.
44. Mischke U, Behrendt H (2007) Handbuch zum Bewertungsverfahren von Fließgewässern mittels Phytoplankton zur Umsetzung der EU-WRRL in Deutschland. Weißensee Verlag, Berlin 88 p.
45. Nakicenovic N, Swart R (2000) Emission scenarios. IPCC Special Report. Cambridge University Press, UK.
46. Nicklisch A, Fietz S (2001) The influence of light fluctuations on growth and photosynthesis of Stephanodiscus neoastraea and Planktothrix agardhii. Archiv für Hydrobiologie 151: 141-156.
47. Nicklisch A, Tippmann P, Feyerabend R (1992) Zur Kalkulation der Wachstumsraten von Phytoplanktonpopulationen. Deutsche Gesellschaft für Limnologie (ed), Erweiterte Zusammenfassung der Jahrestagung in Konstanz, pp 121-125.
48. Ollinger D (1999) Modellierung von Temperatur, Turbulenz und Algenwachstum mit einem gekoppelten physikalisch-biologischen Modell. Doctoral thesis, Universität Heidelberg.
49. Oppermann R (1989) Eindimensionale Simulation allmählich veränderlicher instationärer Fließvorgänge in Gewässernetzen. Verlag für Bauwesen, Berlin.
50. Palmer MA, Reidy Liermann CA, Nilsson C, Flörke M, Alcamo J, Lake PS, Bond N (2008) Climate change and the world's river basins: anticipating management options. Front Ecol Environ 6: 81-89.
51. Pusch M, Andersen HE, Bäthe J (2009) Rivers of the Central European Highlands and Plains. In: Tockner K, Robinson C, Uehlinger U et al (eds) Rivers of Europe. Elsevier, Amsterdam.
52. Reynolds CS (1984) The ecology of freshwater phytoplankton. Cambridge University Press, Cambridge.
53. Reynolds CS, Descy J-P (1996) The production, biomass and structure of phytoplankton in large rivers. Archiv für Hydrobiologie Supplement 113/Large Rivers 10: 161-187.
54. Rinke K (2006) Species-oriented model approaches to Daphnia spp.: linking the individual level to the population level. Doctoral Dissertation, Technical University Dresden.
55. Roelke DL, Eldridge PM, Cifuentes LA (1999) A model of phytoplankton competition for limiting and nonlimiting nutrients: implications for development of estuarine and nearshore management schemes. Estuaries 22: 94-104.
56. Rothhaupt KO (1990) Changes of the functional responses of the rotifers Brachionus rubens and Brachionus calyciflorus with particle sizes. Limnol Oceanogr 35: 24-32.
57. Salmaso N, Braioni MG (2008) Factors controlling the seasonal development and distribution of the phytoplankton community in the lowland course of a large river in Northern Italy (River Adige). Aquat Ecol 42: 533-545.
58. Schöl A, Kirchesch V, Bergfeld T, Schöll F, Borcherding J, Müller D (2002) Modelling the Chlorophyll a content of the River Rhine-interaction between riverine algal production and population biomass of grazers, rotifers and zebra mussel, Dreissena polymorpha. Int Rev Hydrobiol 87: 295-317.
59. Schöl A, Eidner R, Böhme M, Kirchesch V (2006a) Integrierte Modellierung der Wasserbeschaffenheit mit QSim. In: Pusch M, Fischer H (eds) Stoffdynamik und Habitatstruktur in der Elbe.-Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft. Weißensee Verlag, Berlin, pp 233-242.
60. Schöl A, Eidner R, Böhme M, Kirchesch V (2006b) Einfluss der Buhnenfelder auf die Wasserbeschaffenheit der Mittleren Elbe. In: Pusch M, Fischer H (eds) Stoffdynamik und Habitatstruktur in der Elbe.-Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft. Weißensee Verlag, Berlin, pp 243-263.
61. Schöll F (2000) Temperature as a regulative factor for the dispersal of Corbicula fluminea (O. F. Müller 1774). Hydrologie und Wasserbewirtschaftung 44: 318-321.
62. Schotten CGJ, Goetgeluk R, Hilferink M, Rietveld P, Scholten HJ (2001) Residential construction, land use and the environment. Simulations for the Netherlands using a GIS-based land use model. Environ Model Assess 6: 133-143.
63. Schwartz R (2006) Entstehung und Gliederung des Flusslaufs. In: Pusch M, Fischer H (eds) Stoffdynamik und Habitatstruktur in der Elbe.-Konzepte für die nachhaltige Entwicklung einer Flusslandschaft. Weißensee Verlag, Berlin, pp 7-14.
64. Smith VH (2003) Eutrophication of freshwater and coastal marine ecosystems-a global problem. Environ Sci Pollut Res 10: 126-139.
65. Sommer U (1991) Growth and survival strategies of planktonic diatoms. In: Sandgren CD (ed) Growth and reproductive strategies of freshwater phytoplankton. Cambridge University Press, Cambridge.
66. Sommer U (1994) Planktologie. Springer, Berlin.
67. Straškraba M, Gnauck A (1983) Aquatische Ökosysteme-Modellierung und Simulation. Gustav Fischer Verlag, Jena.
68. Viner D (2002) A qualitative assessment of the sources of uncertainty in climate change impacts assessment studies. Adv Glob Change Res 10: 139-149.
69. Viney NR, Bates BC, Charles SP, Webster IT, Bormans M (2007) Modelling adaptive management strategies for coping with the impacts of climate variability and change on riverine algal blooms. Glob Change Biol 13: 2453-2465.
70. Vollenweider RA (1985) Elemental and biochemical composition of plankton biomass; some comments and explorations. Archiv für Hydrobiologie 105: 11-29.
71. Walz N (1993) Carbon metabolism and population dynamics of Brachionus angularis and Keratella cochlearis. In: Walz N (ed) Plankton regulation dynamics. Experiments and models in rotifer continuous cultures. Springer, Berlin, pp 89-105.
72. Werner P, Gerstengarbe F-W (1997) Proposal for the development of climate scenarios. Clim Res 8: 171-182.
73. Whitehead PG, Wilby RL, Battarbee RW, Kernan M, Wade AJ (2009) A review of the potential impacts of climate change on surface water quality. J Hydrol Sci 54: 101-123.
74. Wiedner C, Rücker J, Brüggemann R, Nixdorf B (2007) Climate change affects timing and size of populations of an invasive cyanobacterium in temperate regions. Oecologia 152: 473-484.
75. Williams BJ (2006) Hydrobiological modelling. University of Newcastle, NSW; ISBN: 978-1-84728-960-5; http://www. lulu. com (2010-06-16).
76. Williamson CE, Dodds W, Kratz TK, Palmer MA (2008) Lakes and streams as sentinels of environmental change in terrestrial and atmospheric processes. Front Ecol Environ 6: 247-254.