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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-67843
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6784/


Willows in Tidal Wetlands in Times of Climate Change : Ecological Niches in Estuarine Environments

Weiden in Tide-Auen in Zeiten des Klimawandels : Ökologische Nischen in Ästuarien

Markus-Michalczyk, Heike

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SWD-Schlagwörter: Elbe , Weide <Salix> , Ästuar , Salzresistenz , Überflutung , Klimaänderung , Hochwasserschutz , Naturschutz , Nachhaltigkeit
Freie Schlagwörter (Deutsch): Tide-Auen , Weiden-Auwald , Silberweide, Korbweide , Ökosystem-Dienstleistungen
Freie Schlagwörter (Englisch): Tidal wetlands , softwood flood plain forest , white willow , osier , ecosystem services
Basisklassifikation: 42.38 , 42.44
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Jensen, Kai (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 16.05.2014
Erstellungsjahr: 2014
Publikationsdatum: 19.06.2014
Kurzfassung auf Englisch: Estuaries are “hot spots” at coasts: dynamic transition zones from freshwater and terrestrial habitats to marine ecosystems characterised by continually changing fluctuations of water and concentrated human populations. Today, hazards to the estuarine environment include serious alterations in geomorphology and land use, and effects of climate change and extreme weather events. These hazards result in increasing salinization and flooding, locally high sedimentation coupled with severe erosion elsewhere, substantial changes in tidal wetlands, and impacts on flood protection. In times of climate change, flood defense based on tidal wetland restoration might provide an economic and ecologic supplement to conventional engineering in suitable locations. Willows (genus Salix) are proposed as ecosystem engineering species for flood protection measurements in the estuarine environment. Recent interest in species’ niches is “driven in part by the urgency of predicting ecological responses to rapid environmental change” (Holt, 2009). Thus, willows tolerance to increasing salinization and flooding is of particular importance.
In order to elucidate willows performance in tidal wetlands and their ecological niche in the estuarine environment in temperate climate, I carried out four studies on Salixs salt and flood tolerance at different life stages.
In the first study, I hypothesised that the characteristic willow species Salix alba and Salix viminalis from a tidal freshwater and a tidal brackish wetland would be able to tolerate oligohaline conditions. Results on soil water salinity at Salix stands proved, that both species occur in oligohaline conditions. Salix salt tolerance up to salinity 2 was experimentally confirmed via salinity treatments on cuttings. Effects of origin showed better performance of S. viminalis of brackish origin at salinity 2 might indicate acclimation to increased salinity.
In the second study, I hypothesised that both willow species from a tidal freshwater and a tidal brackish wetland are able to tolerate tidal flooding up to a level corresponding with moderate sea level rise scenarios. Tidal treatment on vegetative propagules confirmed this hypothesis. Plant performance was found to be reduced in tidal flooding levels of 0.6 m, and thus I assume that there exists a Salix tolerance to tidal flooding that is limited to the level of moderate sea level rise scenarios.
Based on the findings of the first study, I aimed to answer the question of whether seeds of S. alba, the characteristic species in white willow communities in tidal forests in temperate estuarine flood plains, are able to germinate and establish under oligohaline conditions. S. alba seeds originating from an oligohaline site were found to germinate up to salinity 2 and seedlings established up to salinity 1.5 in a third experimental study.
In the fourth study, I investigated the elevation, soil water salinity and performance of Salix specimen tidal wetlands. In a field study at four sites I found that specimens mean elevation was 0.77 m above mean high water and no interspecific differences were found. Similarly, minimum and maximum values differed just slightly between both species, and Salix specimens occurred up to approximately -0.6 m elevation above mean high water.
Overall, I state that Salix salt tolerance exists up to oligohaline conditions, and Salix tolerance up to a tidal flooding level is predicted in moderate sea level rise scenarios. Salix ecological specialization at riverine floodplains is well documented. However, Salix was previously assigned to be not salt tolerant and to occur above mean high water level. In contrast, I firstly contribute to redefining Salixs ecological niche in the estuarine environment. Based on the results of three experimental studies combined with one field study on immature and mature specimens, I assessed the Salix alba and Salix viminalis ecological niche to extend up to salinity 2 and up to 0.6 m tidal flooding. Generally, habitat specialization influences species’ performance in various ways. In my studies, I showed that parts of Salix are able to perform well under tidal wetland conditions, which might be assessed as being modifications to the estuarine environment.
To conclude: Salix alba and Salix viminalis are characteristic willow species in softwood flood plain forests, listed in the European Habitats Directive, and their good preservation status has to be fixed or restored. In parallel, Salix exhibit high potential as ecosystem service species in estuarine flood defense.
Today, hazards in estuaries lead to increasing salinity and tidal flooding and predicted sea level rise might lead to increasing hazards in estuarine environments. Thus, I intend to contribute to preservation and sustainable use of willows in estuarine environments in times of climate change.
Kurzfassung auf Deutsch: Ästuarien sind “hot spots” an Küsten: Dynamische Übergangszonen von limnischen und terrestrischen Habitaten zu marinen Ökosystemen unter Gezeiteneinfluss und Schwerpunkt menschlicher Ansiedlungen. Weitreichende Veränderungen in der Geomorphologie und der Landnutzung sowie Effekte von Klimawandel und Extremereignissen wirken katastrophal auf Ästuarien. Sie resultieren in zunehmender Versalzung und Überflutung, führen zu lokal hoher Sedimentation oder Erosion sowie zu substantiellen Veränderungen in Tideauen und im Hochwasserschutz. In Zeiten des Klimawandels könnte ein auf der Wiederherstellung von Tideauen basierender Überflutungsschutz sowohl eine ökonomische als auch ökologische Ergänzung zu konventionellem Hochwasserschutz an geeigneten Standorten sein. Weiden (Gattung Salix) werden in der Literatur für Ökosystemdienstleistungen im ästuarinen Hochwasserschutz vorgeschlagen. Daher ist die Toleranz von Weiden gegenüber Versalzung und Überflutung in Zeiten des Klimawandels von besonderem Interesse. In der Absicht, die Leistungsfähigkeit von Weiden in Tideauen und ihre ökologische Einnischung in Ästuarien im gemäßigten Klima aufzuklären, habe ich vier Studien zur Untersuchung der Salz- und Überflutungstoleranz von Weiden durchgeführt.
In der ersten Studie habe ich die Toleranz der charakteristischen Weiden-Arten Salix alba and Salix viminalis mit Herkunft von einer Süßwasser- und einer Brackwasser-Tideaue gegenüber oligohalinen Bedingungen untersucht. Ergebnisse der Untersuchung zur Bodenwasser-Salinität bewiesen, dass beide Arten unter oligohalinen Bedingungen vorkommen. Die Salztoleranz von Salix wurde bis zu einer Salinität von 2 experimentell an vegetativen Ausbreitungseinheiten bestätigt. Effekte der Herkunft zeigten sich in einer höheren Leistungsfähigkeit von S. viminalis mit Herkunft aus der Brackwasser-Tideaue in der Salinität 2. Dies könnte eine Akklimatisation an erhöhte Salinität anzeigen. In der zweiten Studie habe ich die Toleranz von Salix alba und Salix viminalis gegenüber Gezeiten-Überflutung bis zum Niveau eines moderaten Meeresspiegel-Anstiegs untersucht. Diese Studie an vegetativen Ausbreitungseinheiten bestätigte die Hypothese, wobei die Leistungsfähigkeit der Pflanzen bei einer Gezeiten-Überflutung von 0.6 m reduziert war. Daher nehme ich an, dass die Toleranz von Salix gegenüber Gezeiten-Überflutung auf das Niveau eines moderaten Meeresspiegelanstiegs-Szenarios limitiert ist. In der dritten Studie habe ich die Keimfähigkeit und frühe Etablierung von S. alba unter oligohalinen Bedingungen untersucht. S. alba ist die charakteristische Art in Silberweiden-Gesellschaften in Tideauwäldern in ästuarinen Überflutungsräumen im gemäßigten Klima. S. alba-Samen mit Herkunft vom oligohalinen Standort keimten bis zur Salinität von 2 und Keimlinge etablierten sich bis zur Salinität 1.5. In meiner vierten Studie habe ich Standortniveau, Bodenwasser-Salinität und die Performance von Salix-Individuen untersucht. Ich habe festgestellt, dass das mittlere Niveau 0.77 m über dem mittleren Hochwasserniveau liegt. Die Minimal- und Maximal-Werte zwischen beiden Arten unterschieden sich nur geringfügig und Salix-Individuen wurden bis zu einem Niveau von ca. -0.6 m unter dem mittleren Hochwasser vorgefunden.
Ich schlussfolgere eine Salztoleranz von Salix bis zu oligohalinen Bedingungen und eine Toleranz von Salix gegenüber einer Überflutung, wie sie in moderaten Meeresspiegel-Szenarien vorhergesagt werden. Die ökologische Spezialisierung von Salix in Flussauen ist gut dokumentiert. Dort wird Salix als nicht salztolerant und mit einem Vorkommen über dem mittleren Hochwasser-Niveau beschrieben. Demgegenüber trage ich erstmals zu einer erweiterten Definition der ökologischen Nische von Salix in der ästuarinen Umwelt bei.
Auf Basis dieser experimentellen Studien, kombiniert mit den Ergebnissen der Feldstudie, beschreibe ich die ökologische Nische von Salix alba und Salix viminalis im ästuarinen Raum: Die zwei untersuchten Weidenarten tolerieren oligohaline Bedingungen bis zur Salinität 2 und eine Gezeiten-Überflutung von bis zu 0.6 m. Da die Spezialisierung an Habitate generell die Leistungsfähigkeit von Arten in verschiedener Weise beeinflusst, beschreiben meine Studien mögliche Modifikationen von Salix an Ästuarien. Salix alba und Salix viminalis sind Arten der Weichholzaue, die gemäß der Fauna-Flora-Habitat-Richtlinie der EU geschützt ist. Parallel zur Schutzbedürftigkeit von Weiden in Tideauen verfügen Vertreter der Gattung Salix über ein wichtiges Potential als Arten für Ökosystemdienstleistungen im Hochwasserschutz. Massive Einflüsse in Ästuarien führen zu zunehmender Salinität und Überflutung, und der projizierte Meeresspiegelanstieg könnte weiter zunehmende katastrophale Veränderungen bewirken. Mit meiner Arbeit beabsichtige ich zum Schutz und zur nachhaltigen Nutzung von Weiden in Ästuarien in Zeiten des Klimawandels beizutragen.


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