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Einführung in die Ökologie der Mittelgebirgsbäche mit schulpraktischen Hinweisen

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1 Einleitung

Die Bäche der Mittelgebirge üben aufgrund ihres sauberen Wassers und ihrer reichhaltigen Tier- und Pflanzenwelt große Faszination auf Naturfreunde jeden Alters aus. Dreht man einen Stein um, so findet man in der Regel bereits zahlreiche Organismen, welche auffällige Anpassungen an ihren Lebensraum zeigen. Schnell kommen erste Fragen nach den Namen der Organismen und den Umweltbedingungen auf, welche in ihrem Lebensraum herrschen. Besonders im Zusammenhang von Schule oder Naturschutz wird man sich intensiver mit dem Bach als Lebensraum und Ökosystem beschäftigen. Dieser Beitrag bietet dazu den passenden Einstieg und informiert über Charakteristik (Abschnitt 2), Fauna (3) und Begleitvegetation (4) der Mittelgebirgsbäche im Südwestfälischen Bergland. Viele Tiere ermöglichen durch ihr Vorkommen Rückschlüsse auf den Zustand des Baches und die Wasserqualität. Da sie zum Beispiel sauberes oder organisch (z.B. durch Dünger) belastetes Wasser anzeigen, werden sie als Zeigerorganismen bezeichnet. Mit dem Saprobiensystem existiert eine in Wissenschaft und und Unterricht bewährte Methode, die ermöglicht, Zeigerorganismen zur Bestimmung von Gewässergüteklassen heranzuziehen. Das Saprobiensystem wird in Abschnitt 4 dieses Beitrags erläutert. Abschnitt 5 enthält einen ausgearbeiteten Exkursionsvorschlag zum Lebensraum Bach. Die Exkursion hat ihren didaktischen Schwerpunkt in den Bereichen Artenkenntnis und biologische Gewässergüteanalyse und ist sowohl mit Schulklassen als auch mit Gruppen aus dem Naturschutz durchführen.

Abb.1: Untersuchung der Brachtenbecke bei Altena durch Mitglieder des NABU MK e.V. Die Untersuchung eines Fließgewässers ist für alle Naturfreunde spannend. Die Brachtenbecke ist ein typischer Mittelgebirgsbach, der grobsteinige Untergrund ist auf dem Foto gut zu erkennen. Foto: Chr. Schwerdt, 06.05.2011.

Alle Abschnitte dieses Beitrags beziehen sich auf die Mittelgebirgsbäche des Südwestfälischen Berglandes. Die Untersuchungen, mit denen die Grundlagen und Erfahrungen für diesen Beitrag gesammelt wurden, wurden an den Bächen Steinwinkler Bach, Heimecke und Brachtenbecke (Alle drei auf dem Gebiet der Stadt Altena) sowie an der Verse (auf dem Gebiet der Stadt Werdohl) durchgeführt. Viele hier genannte Aspekte der Bachökologie treffen jedoch auch für andere Mittelgebirgsregionen zu. Auch der Exkursionsvorschlag ist über das Sauerland hinaus anwendbar.

2 Charakteristik

Fließgewässer sind im Vergleich mit stehenden Gewässern im Südwestfälischen Bergland erheblich häufiger anzutreffen. Diese Beobachtung ist für Mittelgebirge typisch und hängt mit dem Niederschlagsreichtum sowie dem zum Teil erheblichen Gefälle zusammen (vgl. ROSENBOHM 1996). Dabei existieren mit Ruhr und Lenne nur relativ wenige größere Flüsse. Erheblich häufiger findet man Bäche von kurzer bis mittlerer Länge, welche ein kleines Einzugsgebiet haben und in ein größeres Fließgewässer münden, bevor sie selbst Flußcharakter erreichen. Ihre zahlreichen Sohlen- und V- Tälchen durchziehen die Reste des ehemaligen Hochplateaus und sorgen für eine insgesamt hohe Dichte von Fließgewässern. Die Bäche im Untersuchungsraum sind, sofern sie nicht völlig verrohrt oder anderweitig stark vom Menschen verändert sind, im Allgemeinen gut erkennbar die Merkmale typischer Mittelgebirgsbäche (FELDMANN 2009).

Mittelgebirgsbäche gliedern sich in Quelle, Quellbachregion, Ober-, Mittel- und Unterlauf und weisen im Sauerland in der Regel folgende Merkmale auf:

  • Ein im Vergleich zu Bächen des Tieflandes relativ starkes Gefälle
  • Grobsteiniger Untergrund
  • Während des ganzen Jahres günstige Sauerstoffversorgung (O2 - Minimum nach SCHWAB 1995 > 8 mg/l)
  • Relativ geringe mittlere Wasserführung, welche durch die hohe Fließgewässerdichte des Untersuchungsraumes und die daraus resultierenden kleinflächigen Einzugsgebiete der Bäche  begründet ist.

Gegeneinander abgegrenzt werden die einzelnen Abschnitte eines Mittelgebirgsbaches durch ihre Temperaturamplitude im Jahresverlauf sowie Besiedlung durch verschiedene Charakterarten an Fischen und Wirbellosen. Zur Einteilung und Charakterisierung von Bächen und Bachabschnitten wird also neben der Temperatur auch die Tiergemeinschaft herangezogen. Zur besseren Übersicht wurden die einzelnen Abschnitte und Unterteilungsmerkmale in Tabelle 1 festgehalten. Auf den Abbildungen 2 und 3 sind zwei typische sauerländische Mittelgebirgsbäche abgebildet. Abbildung 2 zeigt die Brachtenbecke bei Altena (Westf.) im Übergang von Quellbach- zu Forellenregion. Abbildung 3 zeigt die Verse bei Werdohl-Eveking, welche in diesem Abschnitt bereits zum Oberlauf des Mittelgebirgsbachs und damit zur Forellenregion gehört.

Tabelle 1: Abschnitte eines Mittelgebirgsbaches im Südwestfälischen Bergland. Temperaturamplitude der Bachabschnitte nach ENGELHARDT (1989). Charakterarten der einzelnen Abschnitte zusammengestellt nach FELDMANN (1987 & 2009) und FEY (1991). Ober- und Mittellauf werden ausgehend von ihrer Tiergemeinschaft als Forellenregion zusammengefasst, während der Unterlauf zur Äschenregion gezählt wird. Die einzelnen Tierarten werden im Folgenden und in Abschnitt 2 näher vorgestellt. Dort werden auch die  jeweiligen deutschen Namen genannt.

Abb. 2: Die Brachtenbecke bei Altena (Westf.) im Bereich des Überganges von Quellbach- zu Forellenregion. Weiter hinten im Bild typischer Bach-Erlen-Eschenwald, welcher heute leider selten geworden ist. Foto: Chr. Schwerdt, 06.05.2011.

Abb. 3: Die Verse im Bereich der Forellenregion bei Werdohl-Eveking. Bachbegleitende Waldgesellschaft ist in diesem Abschnitt Schwarzerlen-Galeriewald. Foto: Chr. Schwerdt, 19.07.2013.

Wie in jedem Ökosystem existieren im Mittelgebirgsbach zahlreiche Wechselwirkungen zwischen Organismen, Organismengruppen sowie zwischen Organismen und ihrer unbelebten, abiotischen Umwelt. Abbildung 2 zeigt exemplarisch einige besonders wichtige Organismengruppen und Wechselwirkungen im Ökosystem Mittelgebirgsbach.

Abb. 4: Mittelgebirgsbäche weisen sich in der Regel durch einen grobsteinigen Untergrund und eine gute Sauerstoffversorgung auf. Der Gasaustausch von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid wird durch die starke Strömung und entstehnde Turbolenzen erleichert. Da viele Mittelgebirgsbäche nur wenige höhere Pflanzen aufweisen, hängt der Nahrungskreislauf oftmals von der Ufervegetation ab. Das Laub der Schwarzerlen wird von Zerkleinerern zu kleineren organischen Partikeln verarbeitet, welche in weiteren Schritten mineralisiert werden und dem (meist sehr spärlichen) Aufwuchs auf den Steinen entgegenkommen. Dieser Aufwuchs wird von Weidegängern wie der Flußnapfschnecke abgeweidet. Räuber wie die Groppe nutzen Zerkleinerer und Weidegänger als Beute. Zeichnung: Chr. Schwerdt.

Viele Mittelgebirgsbäche des Untersuchungsraumes sind relativ arm an höheren Pflanzen. Die wichtigsten Produzenten sind Grün- und Braunalgen, welche besonnte Steine als Aufwuchs besiedeln. Dieser Aufwuchs wird von Organismen gefressen, die als Weidegänger bezeichnet werden. Ein typischer Weidegänger ist die Flußnapf- oder Flußmützenschnecke (Ancylus fluviatilis). Die Flußmützenschnecke ist im Untersuchungsraum weit verbreitet und auf den Abbildungen 4 und 5 zu erkennen. Zu den Weidegängern zählt auch der Aderhaft (Ecdyonurus venosus, Abb. 3). Eine weitere Lebensmöglichkeit eröffnet sich im Ökosystem Bach durch das Laub der am Ufer stehenden Bäume. Herabgefallene Blätter konzentrieren sich in strömungsschwachen Bereichen und im Strömungsschatten der Steine. Einige Wirbellose wie der Bachflohkrebse (Gammarus pulex, Abb. 4 & 5) machen sich über die abgestorbenen Blätter her. Sie fressen Teile der Blätter und scheiden kleinere, energieärmere Partikel aus. Aufgrund dieser Lebensweise werden sie als Zerkleinerer bezeichnet. Zerkleinerer und Weidegänger werden von Räubern wie der Groppe (Cottus gobio, Abb.4) oder der Wasseramsel (Abb. 5) erbeutet.

Abb. 5: Steine werden im Lebensraum Bach unterschiedlich genutzt. Weidegänger wie der Aderhaft (1) und die Flußnapfschnecke (2) weiden Aufwuchs aus Grün- und Braunalgenrasen ab. Dort sind sie einem hohen Strömungsdruck ausgesetzt, dem sie durch morphologische Anpassungen begegnen. Der Aderhaft ist extrem abgeflacht, die Napfschnecke kann sich am Stein ansaugen. Der Bachflohkrebs (3) ist auf abgestorbene Blätter angewiesen, welche sich im Strömungsschatten hinter dem Stein sammeln. Der Stein dient ihm daneben auch als Deckung gegenüber Räubern wie der Wasseramsel (4), die über die Wasseroberfläche hinausragende Steine als Ansitzmöglichkeit nutzen. Zeichnung: Chr. Schwerdt.

Die kleinen Partikel, welche Zerkleinerer ausscheiden, werden von anderen Organismen aufgenommen und weiter abgebaut. Organismen, welche kleine organische Partikel aus dem Wasser filtern, werden als Filtrierer bezeichnet. Ein Beispiel für Filtrierer im Ökosystem Mittelgebirgsbach sind die Larven der Kriebelmücken (Familie Simulidae). Insgesamt gilt, das Filtrierer in Quelle und Quellbach relativ selten auftreten und erst im Verlauf des Mittelgebirgsbaches allmählich häufiger werden, da erst nach und nach genügend feine Nahrungspartikel durch die Aktivität der Zerkleinerer frei werden. Trifft man bereits in der Quellregion eines Baches auf eine große Anzahl Filtrierer, so ist dies möglicherweise ein Anzeichen für eine durch den Menschen verursachte organische Gewässerverschmutzung. Eine solche Gewässerverschmutzung entsteht zum Beispiel, wenn durch Eintrag von Mist, Gülle oder Fäkalien unverhältnismäßig viele feine Partikel in ein Fließgewässer gelangen. Trifft man in einem Mittelgebirgsbach dagegen überwiegend Zerkleinerer, so ist dies eher ein Zeichen für ein ungestörtes Gewässer und eine gute Wasserqualität, da die Lebensgemeinschaft überwiegend vom einfallenden Laub lebt und Nährstoffe nur relativ langsam freigesetzt werden.

Neben der Ernährung stellt sich für Bachbewohner zusätzlich die Problematik der Strömung. Fast alle Tiere laufen Gefahr, zu verdriften, wenn sie in stark strömende Bereiche gelangen. Nur die größeren Fischarten wie Bachforelle und Äsche sind in der Lage, aktiv gegen die Strömung anzuschwimmen. Weidegänger unter den Wirbellosen, welche den Aufwuchs auf sonnenexponierten Steinen abweiden, setzen sich der Strömung häufig stark aus und sind daher besonders gefährdet. Sie haben daher verschiedene morphologische und physiologie Anpassungen gegen Verdriftung entwickelt. Der Aderhaft besitzt einen stark abgeflachten Körper, was zur Folge hat, dass er von der Strömung auf die von ihm bewohnten Steine gepresst wird. Auch Planarien (Strudelwürmer) machen sich diese Technik zu Nutze. Die Flußmützenschnecke saugt sich mit der klebrigen Sohle ihres Fußes am Stein fest. Die wichtigsten Tiergruppen des Baches und ihre Überlebensstrategien werden im folgenden Abschnitt ausführlicher vorgestellt.

3 Tierwelt der Bäche

Wie wir bereits in Abschnitt 2 erfahren haben, kommen im Lebensraum Mittelgebirgsbach eine ganze Reihe Tierarten mit teilweise interessanten Anpassungen vor. Die meisten Bachbewohner zählen zu den verschiedenen Wirbellosen, während die Wirbeltiere nur mit einigen wenigen Arten vertreten sind. Unter den Wirbellosen sind die Insekten und ihre Larven bei weitem am zahlreichen. Krebse (Crustacea), Weichtiere (Mollusca) und Strudelwürmer (Turbellaria) sind mit einigen Arten vertreten.

Die Tierwelt der Quelle ist durch einige Eigentümlichkeiten gekennzeichnet, da wir hier Arten finden, die uns in den weiter unten liegenden Abschnitten nicht mehr begegnen. Charakteristisch ist eine Tiergemeinschaft unter maßgeblicher Beteiligung der Quellschnecke (Bythinella dunkeri) und des Alpenstrudelwurmes (Crenobia alpina). Diese Tiergemeinschaft wird von Ökologen als Bythinella-Crenobia-Zönose bezeichnet (FELDMANN 2009). Sowohl Alpenstrudelwurm als auch Quellschnecke sind kaltstenotherm, was bedeutet, dass sie das ganze Jahr über konstant kühle Temperaturen zum Überleben benötigen. Während sich die Quellschnecke als Weidegänger von Kieselalgenrasen ernährt, zählt der Alpenstrudelwurm zu den Räubern und macht insbesondere Jagd auf den Bachflohkrebs Gammarus fossarum.

Einziges Wirbeltier in der Quelle ist der Feuersalamander (Salamandra salamandra terrestris). Seine Larven finden sich auch im Quellbach und im Übergang von Quell- zu Forellenbach. Abbildung 6 zeigt zahlreiche Larven des Feuersalamanders und eine junge Bachforelle (Salmo trutta fario).

Abb. 6: Larven des Feuersalamanders (Salamandra salamandra terrestris). Oben links eine junge Bachforelle (Salmo trutta fario). Beachte die äusseren Kiemen der Feuersalamanderlarven, welche in Form von jeweils zwei Büscheln am Hinterkopf zu erkennen sind. Fundort: Steinwinkler Bach. Foto: Chr. Schwerdt, 02.06.2011.

Feuersalamanderlarven besitzen im Gegensatz zu erwachsenen Salamandern einen Schwanzflossensaum und äussere, büschelartige Kiemen. Sie leben auf dem Quellgrund und im Strömungsschatten von Steinen. Ihre Nahrung besteht aus kleinen Insekten und Bachflohkrebsen, welche besonders gerne gefressen werden. Die Bachflohkrebse der Gattung Gammarus sind im Mittelgebirgsbach mit zwei Arten vertreten. Gammarus fossarum besiedelt vorwiegend Quelle und Quellbach. Zum Forellenbach hin wird er allmählich durch Gammarus pulex abgelöst, welcher größer ist und sich dadurch auszeichnet, dass er eine etwas größere Resistenz gegen Wasserverschmutzung und erhöhte Temperaturen aufweist. Beide Arten leben als Zerkleinerer vorwiegend vom Laub der am Bachrand stehenden Bäume (vgl. 2).

Neben Bachflohkrebsen trifft man bei Untersuchungen im Quellbach auf Larven der Eintagsfliegen (Ephemeroptera). Der Aderhaft (Ecdyonurus venosus) wurde als Vertreter strömungsangepasster Formen bereits in Abschnitt 2 vorgestellt. Andere Arten wie die Gemeine Eintagfliege (Ephemera vulgata, Abb. 7), entgehen Verdriftung und Räubern, indem sie sich in das feinkörnige Substrat zwischen den Steinen eingraben. Dazu werden die Mundwerkzeuge (Mandibeln) und die kräftigen Vorderbeine verwendet. Nahrung der Gemeinen Eintagsfliege sind verschiedene im Boden abgelagerte tierische und pflanzliche Materialien. Vom Ernährungstyp her ist sie daher als Zerkleinerer anzusehen.

Abb. 7: Larve der Gemeinen Eintagsfliege (Ephemera vulgata). Gut sichtbar sind die zum Graben benutzten kräftigen Vorderbeine. Die Kiemen sind federartig und auf dem Hinterleib zu erkennen. Wie die meisten Eintagsfliegen verfügt Ephemera vulgata außerdem über drei Hinterleibsanhänge, welche auf der Abbildung ebenfalls gut zu sehen sind. Fundort: Verse bei Werdohl-Kleinhammer. Foto: Chr. Schwerdt, 20.04.2013.

Sowohl der Aderhaft, als auch die Gemeine Eintagsfliege kommen in den Tiergemeinschaften von Quell- und Forellenbach vor. In der Quelle selbst sind sie meist nicht anzutreffen. Neben den Eintagsfliegen sind die Steinfliegen eine weiterer wichtiger Bestandteil dieser Gemeinschaften. Von den Eintagsfliegenlarven sind sie sicher dadurch zu unterscheiden, dass sie büschelartige Tracheenkiemen zwischen den Brustsegmenten aufweisen (vgl. Abb. 8). Die Eintagsfliegenlarven zeigen dagegen 6 bis 7 Büschelartige Tracheenkiemen am Hinterleib (vgl. Abb. 7). Besonders auffällige Steinfliegenlarven sind der Große Uferbold (Perla marginata) und die Großköpfige Steinfliege (Dinocras cephalotes). Beide Arten sprechen für eine gute Wasserqualität und sind im Sauerland weit verbreitet. Abbildung 8 zeigt eine Larve der Großköpfigen Steinfliege im Vergleich mit einer jungen Groppe (Cottus gobio).

Abb. 8: Junge Groppe (1) und Großköpfige Steinfliege (2) im Vergleich. Beide Arten sind zur Vermeidung von Verdriftung relativ stark abgeflacht. Auf dem Foto sind darüberhinaus die beiden Hinterleibsanhänge sowie die weißen und büscheligen Tracheenkiemen der Steinfliege gut zu erkennen. Fundort: Brachtenbecke, 06.05.2013.

Beide Steinfliegenlarven sind sowohl tagsüber als auch nachts auf und unter größeren Steinen zu finden. Sie gehören zu den gefräßigsten Räubern im Bach und erbeuten unter anderem Larven der Eintagsfliegenlarven. Die Groppe zählt ebenfalls zu den Räubern und ist als einzige Fischart bereits im Quellbach zu finden. Im Forellenbach wird sie erheblich häufiger und tritt dann gemeinsam mit der Bachforelle auf, welche Leitart und Namensgeber der dortigen Lebensgemeinschaft ist. Im Gegensatz zur Bachforelle meidet die Groppe Bereiche mit starkter Strömung. Sie hält sich meistens im Strömungsschatten unter oder hinter größeren Steinen auf. Groppen besitzen darüber hinaus keine Schwimmblase, welche bei freiwasserbewohnende Fischen typischerweise auftritt. Die abgeflachte Gestalt der Groppe ermöglicht ihr, Spalten und Hohlräume zu bewohnen, in denen sie vor Strömung und Feinden geschützt ist. Durchquert sie dennoch strömungsintensive Bereiche, wird ihr flacher Körper ähnliche wie bei Aderhaft und Uferbold auf die Unterlage gedrückt und nicht abgedriftet. Abbildung 8 zeigt ein Jungtier, während auf Abbildung 9 eine erwachsene oder fast erwachsene (adulte) Groppe zu sehen ist.

Abb. 9: Groppe aus der Verse bei Werdohl-Eveking. Beachte die fächerförmigen Brustflossen, die abgeflachte Gestalt und den relativ großen Kopf. Foto: Chr. Schwerdt, 19.07.2013.

Groppen erbeuten verschiedene kleine Wirbellose. Beobachtungen des Autors zeigten, das Bachflohkrebse (Gammarus fossarum und Gammarus pulex) gerne gefressen werden. Wie viele mit ihr vergesellschafteten Wirbellosen ist auch die Groppe eine Zeigerart, deren Auftreten für eine gute Wasserqualität spricht.

Größere Steine sind im Forellenbach oft Lebensraum für mehrere Tierarten, wobei man beim Umdrehen im Rahmen einer Exkursion oftmals feststellt, dass an der Steinunterseite Tiere vorkommen, die man an der Steinoberseite nicht findet. Aderhaft, Uferbold und Großköpfige Steinfliege sind regelmäßig sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite von Steinen zu finden. Auch die Flußmützenschnecke kommt auf beiden Steinseiten vor. Sie ist bereits in Abschnitt 2 und Tabelle 1 erwähnt worden und zählt zu den häufigsten Vertretern der Mollusken im Mittelgebirgsbach. Strudelwürmer sind relativ lichtscheu. Sind finden sich daher tagsüber unter Steinen und kommen meist erst nachts an die Oberfläche. Der Alpenstrudelwurm wird als Quellspezialist in quellferneren Bachbereichen durch den Dreieckskopf-Strudelwurm (Dugesia gonocephala) und den Trauer-Strudelwurm (Dugesia lugubris) ersetzt.

3 Begleitvegation der Mittelgebirgsbäche

In den meisten Mittelgebirgsbächen des Untersuchungsraumes kommen keine oder nur wenige höhere Pflanzen vor. Die Ufervegetation ist dagegen relativ reichhaltig, weil Pflanzennährstoffe durch die Strömung herangetragen werden und sich bei wechselnden Wasserständen im Uferbereich ablagern. Die Quelle und der sich unmittelbar anschließende Bereich des Quellbaches bieten Pflanzen darüber hinaus die Möglichkeit, auch im Winter Photosynthese zu betreiben. Da das Quellwasser das ganze Jahr über mit nahezu gleichbleibender Temperatur austritt, erwärmt es die unmittelbare Umgebung der Quelle. Quelle und unmittelbare Quellumgebung sind daher im Winter frostfrei und dienen wintergrünen Pflanzenarten als Zufluchtsort. Unter diesen Pflanzen ist das Gegenblättrige Milzkraut (Chrysosplenium oppositifolium) die häufigste und wohl auch die auffälligste. Seine dichten grünen Teppiche umgeben Quellen und Quellbäche im Sauerland sommers wie winters und bilden dort charakteristische Milzkrautfluren (Chrysosplenietum oppositifoliae). Abbildung 10 zeigt eine gut ausgebildete Milzkrautflur mit Gegenblättrigem Milzkraut und Wechselblättrigem Milzkraut (Chrysosplenium alternifolium).

Abb. 10: Milzkrautflur in der Quellbachregion des Mühlenbaches bei Altena-Mühlenrahmede. Bei den größeren Pflanzen mit besonders deutlich erkennbaren gelben Hochblättern handelt es sich um das Wechselblättrige Milzkraut. Sie sind von zahlreichen Exemplaren des Gegenblättrigen Milzkrautes umgeben, welches an diesem Standort erheblich häufiger auftritt. Foto: Chr. Schwerdt, 05.04.10.

Milzkräuter sind auch Bestandteil der Bach-Erlen-Eschenwälder (Carici-Fraxinetum), die in schmalen Säumen Quellbäche und kleinere Forellenbäche begleiten. Ein relativ großflächiger, gut erhaltener Bach-Erlen-Eschenwald findet sich zum Beispiel  in der Bachaue der Brachtenbecke bei Altena (vgl. Abb. 2). Neben den Milzkräutern finden sich in der Krautschicht des Bach-Erlen-Eschenwaldes der Brachtenbecke anspruchsvolle Pflanzenarten wie die Hohe Schlüsselblume (Primula elatior) und die Hain-Sternmiere (Stellaria nemorum). Ab dem Mittellauf des Mittelgebirgsbaches ändert sich das Bild der bachbegleitenden Wälder. Der Bach-Erlen-Eschenwald weicht allmählich dem Hain-Sternmieren-Schwarzerlenwald (Stellario-Alnetum). In der Baumschicht dominiert die Schwarzerle, die Esche tritt in den Hintergrund. Die Milzkräuter verschwinden, während stickstoffliebende Arten wie Hain-Sternmiere und Große Brennessel (Urtica dioica) häufiger werden. Dazu treten in den letzten Jahrzehnten vermehrt eingeschleppte Arten wie das Drüsige Springkraut (Impatiens glandulifera), welches zum Teil üppige Bestände ausbildet.

Trifft man bereits im Bereich von Quelle und Quellbach auf sehr stickstoffliebende Pflanzen wie Große Brennessel oder Drüsiges Springkraut, so kann dies ein Hinweis auf organische Gewässerbelastung sein. Zeiger einer großen Stickstoffbelastung werden zum Beispiel durch den Eintrag von Dünger aus umgebenden, intensiv landwirtschaftlich genutzten Flächen begünstigt. Bei Ökologischen Exkursionen zum Lebensraum Bach kann daher auch die Ufervegetation untersucht werden.

4 Biologische Gewässergüteanalyse

Grundsätzlich ist bei der Planung von Fließgewässerexkursionen zu beachten, dass sich neben Bestandsaufnahmen der vorkommenden Tier und Pflanzen die Anwendung von Verfahren zur biologischen Gewässergütebestimmung anbietet. Diese Verfahren ermöglichen Schülergruppen, den Erwerb von Artenkenntnissen mit einer Ökologischen Untersuchung im Gelände zu verbinden. Darüber hinaus können Schüler ihre Untersuchungsergebnisse mit anderen Untersuchungen vergleichen, diskutieren und präsentieren, was einem an der naturwissenschaftlichen Vorgehensweise orientierten Biologieunterricht sehr entgegenkommt.

Für die biologische Gewässergüteuntersuchung gibt es einige Verfahren. Das bekannteste und im Biologieunterricht bewährteste von ihnen ist das Saprobiensystem. Es findet sich in vielen hausinternen Curriculae der Schulen, in Schulbüchern und hat sich auch in vergangenen Unterrichtsversuchen und Unterrichtsstunden des Autors bewährt. Das Saprobiensystem basiert  auf den Unterschieden von Tiergemeinschaften in Bachabschnitten mit unterschiedlicher organischer Belastung und teilt Fließgewässer in sieben Güteklassen ein. Jeder dieser Güteklassen entspricht ein spezifischer Grad der Belastung. Die Zuordnung eines Bachabschnittes zu einer Güteklasse erfolgt mit Hilfes des Saprobienindexes. Der Saprobienindex nimmt je nach Gewässergüte Werte zwischen 1,0 und 4,0 ein. Ein Saprobienindex von 1,0 entspricht dabei einem unbelasteten, ein solcher von 4,0 einem übermäßig verschmutztem Gewässer (SCHWAB 1995).

Ermittelt wird der Saprobienindex dadurch, dass man an einem Fließgewässer eine Bestandsaufnahme der vorkommenden Saprobier analysiert. Unter Saprobiern versteht man grundsätzlich Organismen, welche in und von faulendem Material leben. In unserem Falle bezeichnet der Begriff vor allem Wirbellose (Macroinvertebraten), welche in und von organischem Material leben, das sich mit unterschiedlich großer Abbaurate zersetzt und dabei Fäulnisstoffe in unterschiedlich großer Menge freisetzt. Jeder dieser Invertebratenarten wird dabei dem Milieu entsprechend, in dem sie bevorzugt vorkommt, ein bestimmter Saprobienwert zugeordnet. Diese Saprobienwerte werden später für die Berechnung des Saprobienindexes benötigt (vgl. unten).

Macroinvertebraten, die im Quellbach in bzw. von weitgehend unzersetztem Laub leben, sind dabei beispielsweise nur geringen Konzentrationen von Faulstoffen ausgesetzt und erhalten im Allgemeinen Saprobienwerte von 1,0 bis 2,3. Sie sind Oligosaprobier. Ein Beispiel für einen Oligosaprobier ist die Großköpfige Steinfliege Dinocras cephalotes, welche oben bereits erwähnt worden ist. Sie besitzt einen Saprobienwert von 1,3 und ist dementsprechend allermeistens in Gewässern mit der Güteklasse I oder I-II anzutreffen, also in unbelasteten oder gering belasteten Fließgewässern (vgl. Tabelle2). Solche Macroinvertebraten, welche wie die Zuckmückenlarven (Chironomidae) in stark verschmutzten Gewässern mit geringen Sauerstoffwerten ihr Auskommen finden, bezeichnet man hingegen als Polysaprobier. Die Larven der Zuckmückenlarven findet man vorwiegend in sehr stark verschmutzten Gewässern der Güteklasse III-IV. Sie gehören somit zu den Organismen mit den höchsten Saprobienwerten (3,3). Mesosaprobier wie die Wasserassel (Asellus aquaticus) kommen mit schwankenden Sauerstoffwerten zurecht und nehmen eine Mittelstellung zwischen Oligo- und Polysaprobiern ein.

Will man den Saprobienindex eines Gewässerabschnittes ermitteln, so muß man daher eine möglichst umfassende Bestandsaufnahme der Macroinvertebraten durchführen (vgl. oben). Die vorkommenden Arten und die Anzahl der nachgewiesenen Individuen jeder Art werden notiert. Danach wird jeder Art der entsprechende Saprobienwert (s) zugeordnet. Auflistungen der Saprobienwerte verschiedener Macroinvertebraten finden sich z. B. bei SCHWAB l.c.. Neben dem Saprobienwert s wird für die Berechnung des Saprobienindexes SI die Häufigkeit H der nachgewiesenen Organismen benötigt. H wird durch die Zuordnung der nachgewiesenen Individuenzahlen zu insgesamt 7 Abundanzklassen ermittelt. SI ergibt sich durch die Summe der Produkte von Saprobienwert s und Häufigkeit H (Jeweils für jede gefundene Arten zu multiplizieren) geteilt durch die Summe der Häufigkeiten aller nachgewiesenen Arten:

SCHWAB (l.c.) berechnet die Häufigkeit H mithilfe von 7 Abundanzklassen (vgl. Tabelle3).

Die der Berechnung des Saprobienindexes zugrundeliegenden Bestandsaufnahmen erfolgen am besten in Bachabschnitten von 2 bis 4 m Länge. Bachabschnitte dieser Länge haben sich bei vergangenen Exkursionen des Verfassers als günstig erwiesen, da man sie in einer (oftmals vorhandenen) Zeitspanne von zwei Schulstunden hinreichend gründlich untersuchen kann. Ausserdem ermöglichen Aufnahmeflächen dieser Größe, eine Klasse, einen Kurs oder eine Naturschutzgruppe in mehrere, selbstständig arbeitende Kleingruppen aufzuteilen, die jedoch nicht allzuweit auseinander arbeiten. Dies ermöglicht eine gleichmäßige Betreuung aller Gruppen, falls Fragen auftauchen. Die Ergebnisse werden am besten in einen vorbereiteten Aufnahmebogen eingetragen. Als mögliche Vorlage oder Inspiration für einen Aufnahmebogen bietet sich Tabelle 4 an. In jedem Falle gehören die nachgewiesenen Arten und Individuenzahlen in den Aufnahmebogen. Diese Artenliste wird anschließend um Abundanzklassen und Saprobienwert der nachgewiesenen Arten oder höheren Taxa ergänzt. Der Saprobienindex des untersuchten Fließgewässerabschnittes wird nach der Untersuchung ermittelt und in einem separaten Feld festgehalten.

An dieser Stelle ist nun gute Gelegenheit, dass Saprobiensystem durch ein Berechnungsbeispiel noch besser verständlich zu machen. Tabelle 4 zeigt eine Liste von Tierarten, die bei einer Untersuchung der Verse gefunden wurden.

Tabelle 4: Untersuchungsbefund einer Bestandsaufnahme an der Verse bei Werdohl-Kleinhammer. Die für die Berechnung des Saprobienindexes SI benötigten Werte s und H sind für die nachgewiesenen Arten bereits in der Tabelle enthalten. Die Untersuchung wurde durch den Autor und weitere Mitglieder der Ortsgruppe Werdohl im NABU MK e. V. durchgeführt.

Da die Were s und H bereits in der Tabelle enthalten sind, können wir gleich mit der Berechnung beginnen. Es ergibt sich:

SI == = 1,6

Der Saprobienindex SI des untersuchten Abschnittes beträg 1,6. Ein Abgleich des ermittelten Wertes mit Tabelle 2 zeigt, das das Wasser in diesem Abschnitt der Verse eine geringe Belastung aufweist (Gewässergüteklasse I-II). Die Gewässergüteklasse I-II ist für Mittelgebirgsbäche in der Forellenregion typisch (vgl. SCHWAB l.c.). Eine Störung des Baches durch Eintrag von Dünger wird durch das Ergebnis nicht deutlich.

5 Exkursionen zum Ökosystem Bach

Der vorliegende Exkursionsvorschlag ist zwar für den Unterricht der gymnasialen Oberstufe ausgearbeitet, lässt sich aber nach Erfahrung des Autors auch mit Gruppen aus dem Bereich des Naturschutzes (z.B. NABU) problemlos durchführen.

5.1 Hauptlernziel der Exkursion

  • Die Schüler und Schülerinnen (SuS) zeigen den Zusammenhang zwischen dem Vorkommen von Bioindikatoren und Gewässerabschnitten auf, indem sie einen Gewässerabschnitt untersuchen und ausgehend von ihrem Befund den Saprobienindex berechnen.

5.2 Teillernziele

  • Die SuS beschreiben die biologische Gewässergüte eines Fließgewässerabschnittes, indem sie seinen Tierbestand untersuchen und ausgehend von ihrem Befundden Saprobienindexes berechnen (Umgang mit Fachwissen).
  • Die SuS erläutern ihren Befund im Hinblick auf die biologische Gewässergüte eines Fließgewässerabschnittes, indem sie ihn mit Literaturdaten abgleichen und ggf. diskutieren (Umgang mit Fachwissen).
  • Die SuS präsentieren ihr Untersuchungsergebnis, indem sie ihre Ergebnisse in Kleingruppen vorstellen und die Rolle ggf. vorhandener anthropogene Einflüsse auf den untersuchten Bachabschnitt im Rahmen ihrer Präsentation erklären (Kommunikation).

5.3 Benötigtes Material

Als erstes wird man sich bei der Planung einer Exkursion wahrscheinlich über die Frage Gedanken machen, wie die von den Schülern gefangenen Organismen überhaupt identifiziert werden sollen. Hierzu gibt es mehrere geeignete Bestimmungsbücher. Besonders gut eignet sich meiner Auffassung nach das Ökologische Bestimmungsbuch von SCHWAB (1995), welches auch im Rahmen dieses Beitrages immer wieder zitiert worden ist. Erfahrungen des Autors zeigten, dass SuS mit diesem Buch sehr gut zurechtkommen, da es zwar fachlich auf einem sehr guten Niveau, aber schülerfreundlich geschrieben ist. Vorkenntnisse, zum Beispiel in Taxonomie, sind für den Gebrauch nicht notwendig. Das ökologische Bestimmungsbuch ist darüber hinaus reich an guten Abbildungen und bereits auf Exkursionen zur Bestimmung der biologischen Gewässergüte zugeschnitten. So findet sich zu jeder Art bereits ein Saprobienwert und im Anhang eine Anleitung zur Berechnung des Saprobienindex, welche sich auch im Felde nachvollziehen und umsetzen läßt.

Ebenfalls gut als Exkursionslektüre geeignet ist "Tiere und Pflanzen unserer Gewässer. Merkmale, Biologie, Lebensraum, Gefährdung" von LUDWIG et al. (2003), welches den Vorteil bietet, auf bachbewohnende Wirbeltiere ausführlicher einzugehen. Eine ausführliche Literaturübersicht findet sich unter 6. Falls möglich, besorgt man sich als Lehrer oder Schule nach und nach eine größere Anzahl Bestimmungsbücher, so das man jede in Kleingruppen am Bach arbeitende Gruppe von SuS mit zumindest einem Bestimmungsbuch ausrüsten kann.

Um eine Bestandsaufnahme an einem Gewässerabschnitt durchzuführen, wird man zunächst Tiere fangen und anschließend bestimmen und zählen (vgl. Abb. 11 & 12). Geeignete Kescher bekommt man im Zoohandel oder im Baumarkt. Wichtig beim Fangen ist, dass die SuS auch die Steinunterseiten untersuchen, Steine umdrehen und darunter keschern. Ansonsten, läuft man Gefahr, nur wenige Organismen zu finden und einen verfälschten Befund zu bekommen. Organismen wie Strudelwürmer, welche unter oder an Steinen sitzen, nimmt man am besten vorsichtig mit einer Federstahlpinzette auf und setzt sie dann in den Aufbewahrungsbehälter. Als Aufbewahrungsbehälter geeignet sind verschiedene weiße oder durchsichtige Schalen aus dem Haushaltsbereich (vgl. Abbildung 12). Für die Bestimmung der Tiere ist eine nach Möglichkeit beleuchtete Lupe hilfreich. Die Ergebnisse werden am besten in einen vorbereiteten Aufnahmebogen eingetragen (vgl. Abschnitt 4). Tiere, welche sich vor Ort bereits problemlos bestimmen lassen, wie Groppen, Großköpfige Steinfliegen oder Flußmützenschnecken, kann man umgehend nach der Aufnahme wieder freilassen. Ist eine Bestimmung vor Ort nicht möglich, empfielt es sich die Tiere in einem geeigneten breitem und flachen Gefäß gekühlt aufzubewahren und in der Schule mit Hilfe von Binocularen nachzubestimmen. Dabei kann man die Tiere kurzfristig mit der Federstahlpinzette in eine Petrischale verbringen. Anschließend läßt man sie wieder frei.

Abb. 11: Bestandaufnahme durch Keschern an einem Abschnitt der Verse. Wichtig ist, auch Tiere an den Steinunterseiten mit aufzunehmen. Die diesem Beitrag zugrundeliegenden Bestandsaufnahmen wurden durch die Untere Landschaftsbehörde des Märkischen Kreises genehmigt. Foto: Chr. Schwerdt, 19.07.2013.

Unterbringung und Bestimmung nachgewiesener Organismen mit Hilfe von Kescher, Aufbewahrungsbehälter, Lupe und Notizbuch. Foto: Chr. Schwerdt, 19.07.2013.

Checkliste für das benötigte Material

  • Bestimmungsbücher (z.B. SCHWAB 1995, LUDWIG et al. 2003)
  • Kescher
  • Federstahlpinzette
  • Aufbewahrungsbehälter
  • Lupe
  • Aufnahmebögen / Notitzbuch
  • Gummistiefel
  • ggf. Transportbehälter
  • ggf. für die Nachbestimmung in der Schule: Binoculare und Petrischalen.

5.4 Exkursionsvorbereitung

Die Formulierung der Problemfrage bzw. die Problemfindung sollte am besten durch die SuS erfolgen. Problemgrund ist der den SuS bis dato wahrscheinlich unbekannte Zustand des Fließgewässers bzw. Fließgewässerabschnittes und die möglichen Folgen dieses Zustandes für Mensch und Umwelt.

In der Unterrichtspraxis des Autors hat sich bisher folgende Vorgehensweise bewährt:

  • Einblendung einer Folie, die ein Foto des zu untersuchenden Bachabschnittes (z.B. ähnlich wie Abbildung 2 und 3) enthält. Dazu (ebenfalls auf der Folie) der Hinweis, dass  die EU-Wasserrahmenrichtlinie die Wiederherstellung und den Erhalt ökologisch funktionsfähiger und artenreicher Fließgewässer mit einer dem Standort vorsieht.
  • Frage an die SuS, welche Problemfrage sich ergibt, wenn man als Ökologe oder Naturschützer unter Kenntnis der Wasserrahmenrichtlinie an den Gewässerabschnitt herangeht.
  • Mögliche, durch die SuS formulierte Problemfragen:"Man muß herausfinden, in welchem Zustand der Bach ist", "Ist der Bach nach dieser Richtlinie akzeptabel?" oder "Ist der Bach für unsere Region typisch und nicht durch den Menschen verschmutzt?". Festhalten der Problemfrage oder mehrerer Problemfragen an der Tafel.
  • Frage an die SuS, wie man die Wasserqualität des Fließgewässerabschnittes herausfinden könnte. Mögliche SuS-Antworten: "Man könnte gucken, ob das Wasser stinkt, oder ob da Schaum ist", "Man könnte durch chemische Tests herausfinden, wie die Wasserqualität ist", oder "Man könnte herausfinden, welche Fische da vorkommen und ob tote Fische zu finden sind."
  • Falls die Bedeutung der Zeigerorganismen nicht ohnehin bereits durch die SuS aufgeworfen wird: Hinweis des L., dass es Zeigerorganismen gibt, aus deren Vorhandensein man Rückschlüsse auf die Wasserqualität ziehen kann. Das Bekannteste von diesen Systemen ist das Saprobiensystem, mit dessen Hilfe man den Aussagewert der Tiergemeinschaft eines Bachabschnittes dazu verwendet, um herauszufinden, wie sauber ein Gewässerabschnitt ist und ob er durch den Menschen verschmutzt wurde.
  • Hinweis, dass man für die Anwendung des Saprobiensystems eine Exkursion zu einem Bachabschnitt durchführen muß und dort eine Bestandsaufnahme der vorkommenden Organismen durchführt.
  • Optional: Bei der Exkursion können auch andere, von den SuS genannte Faktoren wie Schaumbildung, Vorkommen toter Fische und ggf. auch Zeigerpflanzen wie die Große Brennessel für die Auswertung des Befundes mit berücksichtigt werden (Zur Aussagekraft der Zeigerpflanzen vgl. Abschnitt 3).
  • Saprobienindex wird durch den L. mit Hilfe der Tafel erläutert. Diese Aufgabe kann auch in die Hand der SuS gelegt werden, indem man ein Kurzreferat zu diesem Thema an 1-2 SuS vergibt. Als Literaturgrundlage für dieses Kurzreferat kann SCHWAB (l.c.) dienen.
  • Hinweis an die SuS, dass sie nun in die Rolle von Ökologen versetzt werden, deren Aufgabe es ist, mit Hilfe von einer Exkursion, einer Bestandsaufnahme und des Saprobiensystems einen Bachabschnitt zu untersuchen und ein Gutachten über den Zustand des untersuchten Abschnittes für den Naturschutz zu verfassen.

5.5 Exkursion

  • Aufteilung des Kurses in zwei bis drei Gruppen je nach seiner Größe.
  • Jede Gruppe untersucht je nach vorhandener Zeit einen Bachabschnitt von 2 bis 4 m Länge. Physische Parameta, Umgebung und ggf. Vegetation werden mit Hilfe von Notizbuch oder vorbereiteten Aufnahmebögen festgehalten. Falls gewünscht, können die SuS auch Fotos machen. Erfahrungsgemäß sind fast alle SuS mit entsprechenden, meistens geeigneten Fotohandys bzw. Smartphones ausgerüstet.
  • Der Bachabschnitt wird nach erkennbaren Wirbellosen (Macroinvertebraten) und Wirbeltieren untersucht, welche nach Möglichkeit vor Ort bestimmt werden. Artnamen und Individuenzahlen werden durch die SuS notiert (vgl. 5.3).
  • Nachdem die Tiere bestimmt wurden, werden sie wieder freigelassen. (zur ev. erforderlichen Nachbestimmung vgl. 5.3).

5.6 Exkursionsnachbereitung

  • Die Bestimmung der Tiere, die Recherche der Saprobienwerte und Berechnung des Saprobienwertes erfolgt in den jeweiligen Kleingruppen.
  • Die untersuchten Bachabschnitte und die Befunde der Untersuchung werden durch die Gruppen mit Hilfe von OHP und Folien oder einer PP.-Präsentation vorgestellt. Durch diese Art der Präsentation werden die SuS in die Rolle von Ökologen versetzt, welche beispielsweise für den Landschaftsbeirat oder in der Rolle eines Planungsbüros über den Zustand des untersuchten Gewässers berichten.
  • Diskussion der Befunde im Plenum. Klärung spezieller Eigenheiten der gemachten Befunde, z.B.des Auftretens bestimmter Zeigerorganismen in nur einem der untersuchten Abschnitte.
  • Diskussion im Plenum, ob die eingangs formulierten Problemfragen durch die Untersuchung geklärt wurden.

5.7 Vertiefung

Es existieren mehrere Möglichkeiten, dass im Rahmen der Exkursion- und Nachbereitung Gelernte zu vertiefen und weiterzuverwenden. Durch einen Abgleich mit den Vorgaben der EU-Wasserrahmenlinie kann beispielsweise geklärt werden, ob der Zustand des untersuchten Abschnittes den Vorgaben entspricht. Es ist auch möglich, mit dem Naturschutz in Kontakt zu treten und die durch die Schüler ermittelten Daten an den ehren - oder hauptamtlichen Naturschutz weiterzuleiten (erfahrungsgemäß besteht daran großes Interesse).

6 Literatur

FELDMANN, Reiner (2009): Quellen im Sauerland. Anmerkungen zur Flora und Fauna eines landschaftstypischen Lebensraumes. - Sauerland 1: 11-14.

LUDWIG, Herbert-W (2003): Tiere und Pflanzen unserer Gewässer. Merkmale, Biologie, Lebensraum, Gefährdung. - München: BLV.

ROSENBOHM, Günther (1995): Oberes Märkisches Sauerland. Landschaftsführer des Westfälischen Heimatbundes. - Münster: Aschendorff.

SCHWAB, Helmut (1995): Süßwassertiere: Ein ökologisches Bestimmungsbuch. - Stuttgart: Klett.

7 Weiterführende Links

8 Kontakt

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Zuletzt aktualisiert am Dienstag, den 13. August 2013 um 12:34 Uhr