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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-75767
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2015/7576/


Vegetation succession and coastal protection by wave dissipation in salt marshes of North-West Europe

Vegetationsentwicklung und Küstenschutzfunktion von Salzmarschen durch Wellendämpfung in Nordwesteuropa

Rupprecht, Franziska

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SWD-Schlagwörter: Küstenschutz , Salzwiese , Vegetation, Beweidung
Freie Schlagwörter (Deutsch): Wellendämpfung , Wattenmeer , Pflanzenflexibilität , Biomasse
Freie Schlagwörter (Englisch): Coastal protection , Wave attenuation , Flow reduction , Salt marsh vegetation, Salt marsh management
Basisklassifikation: 43.31 , 43.47 , 42.44
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Jensen, Kai (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 25.09.2015
Erstellungsjahr: 2015
Publikationsdatum: 03.11.2015
Kurzfassung auf Englisch: Salt marshes form at shallow tidal coasts under conditions of low water currents and continuous sedimentation and are characterised by a low species diversity and a high primary productivity. The ability of salt marshes to reduce wave height and energy (wave dissipation) implies that they can act as effective and sustainable elements of coastal protection schemes. The vegetation of salt marshes plays a key role in the process of wave dissipation over salt marsh surfaces. Consequently changes in salt marsh vegetation canopies and their biophysical characteristics, as occurring during the process of vegetation succession, have important implications for the wave coastal protection function of salt marshes. The present thesis comprises four studies and has the overall aim to assess trends in vegetation succession in mainland salt marshes of the Wadden Sea (Europe’s largest intertidal ecosystem complex) after the change in salt marsh management, and to quantify the wave dissipation capacity of marshes. In the first study main successional pathways of vegetation characterised by Puccinellia maritima and Festuca rubra, two grasses that dominated low and high marsh areas under intensive grazing, were analysed. The results revealed that since the abandonment of grazing and drainage, progressive succession towards vegetation determined by the dwarf shrub Atriplex portulacoides (low marsh) and the tall grass Elymus athericus (high marsh) strongly increased. The grazing regime and abiotic conditions related to elevation, large-scale environmental gradients of salinity, inundation frequency and vertical accretion were the major drivers of successional pathways. In the second study, stem flexibility, diameter and height was measured for three grasses (Spartina anglica, P. maritima and E. athericus) commonly occurring in North-West European salt marshes and above ground biomass and canopy height was quantified in stands of E. athericus and A. portulacoides. Furthermore, two non-destructive methodologies to assess above ground biomass as a proxy for more complex canopy bulk properties such as canopy structure and density were evaluated: Measurement of light availability within the canopy and side-on photography of vegetation (photo-method). Stem flexibility significantly differed between species: P. maritima had the most flexible stems, and as a result of their relatively large stem diameter, S. anglica the stiffest stems. With respect to the methods comparison the results showed that the photo-method is a more appropriate technique than the measurement of light availability within the canopy for the non-destructive assessment of above ground biomass. In the third study the wave dissipation capacity of a vegetated salt marsh with a mixed canopy of E. athericus, P. maritima, and the herbaceous forb Atriplex prostrata, under average up to storm surge wave conditions, was experimentally assessed in a real-scale flume experiment. The results revealed that the salt marsh caused considerable wave attenuation (around 20% over a 40 m distance), even when water levels and waves were highest. From a comparison with experiments without vegetation, it was estimated that up to 60% of observed wave reduction can be attributed to vegetation. In the fourth study, vegetation-wave interactions in the canopies of P. maritima and E. athericus were analysed in the framework of the large-scale flume experiment on wave dissipation by salt marshes mentioned above. The results revealed that canopy flexibility and height, as well as incident wave and water depth conditions, play an important role in the ability of vegetation to reduce the velocity of wave orbital flow and in physical damage occurring to vegetation under rising wave forces. Overall, the results reported in this thesis demonstrate that vegetated salt marsh surfaces considerably contribute to wave dissipation under average up to storm surge conditions and hence can be a valuable component of coastal protection schemes. Furthermore, the results provide insights into the species-specific control of flow and wave dissipation by salt marshes and have a high relevance for numerical modelling of the marsh wave dissipation capacity as well as for future studies on marsh stability and resilience under sea level rise and increasing storminess. Management schemes with the objective to optimise coastal protection provided by salt marshes should aim for the maintenance of all successional-stages to profit from the benefits that various plant species offer in terms of the marsh wave dissipation capacity and erosion stability.
Kurzfassung auf Deutsch: Salzmarschen sind gezeitengeprägte Ökosysteme und entwickeln sich an flachen, strömungsarmen Küsten im Übergangsbereich zwischen Land und Meer durch die Ablagerung von Sedimenten. Sie zeichnen sich durch eine geringe Artenvielfalt und eine hohe Primärproduktion aus. Die Fähigkeit von Salzmarschen die Höhe und Energie von Wellen zu reduzieren (Wellendämpfung) bedeutet, dass sie einen wichtigen Beitrag zum Küstenschutz leisten können. Die Vegetation spielt eine Schlüsselrolle für den Prozess der Wellendämpfung über der Marschoberfläche. Daher haben Veränderungen in der Vegetation und ihren biophysikalischen Eigenschaften, wie sie in der zeitlichen Entwicklung der Vegetation (Sukzession) geschehen, einen bedeutenden Einfluss auf Küstenschutzfunktion von Salzmarschen. Ziel dieser Arbeit war die Erfassung von Haupttrends der Sukzession seit der Umstellung des Managements in den Festlandssalzmarschen des Wattenmeers, Europas größter Komplex tidebeeinflusster Ökosysteme, und die Quantifizierung der Wellendämpfungskapazität von Salzmarschen. Zu diesem Zweck wurden vier Untersuchungen durchgeführt. In der ersten Studie wurden die Sukzession von Salzmarschvegetation bestehend aus den Gräsern Puccinellia maritima (Andel) und Festuca rubra (Rotschwingel), welche die untere und obere Marsch unter intensiver Beweidung dominierten, analysiert. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass seit Reduzierung der Beweidung und Aufgabe der Entwässerung die Sukzession von frühen zu späten Stadien (vorwärtsgerichtete Sukzession), dominiert durch den Zwergstrauch Atriplex portulacoides (Portulak-Keilmelde) und das Gras Elymus athericus (Strandquecke), stark zugenommen hat. Das Beweidungsregime, die Geländehöhe sowie Gradienten auf Landschaftsebene in der Salinität des Überflutungswassers, der Überflutungshäufigkeit und des Höhenzuwachses der Marschen durch Sedimentablagerung, wurden als die wichtigsten steuernden Faktoren der Sukzession identifiziert. In der zweiten Studie wurden Sprossflexibilität, Sprossdurchmesser und Sprosshöhe für drei Gräser bestimmt, die in den Salzmarschen Nordwesteuropas sehr häufig vorkommen: Spartina anglica (Schlickgras), P. maritima und E. athericus. Darüber hinaus wurde die Genauigkeit von zwei Methoden verglichen, mit deren Hilfe es möglich ist, die oberirdische Biomasse zu quantifizieren ohne die Vegetation zu beschädigen: Messung der Lichtverfügbarkeit im Pflanzenbestand und Fotografie der Vegetation an ihrem Standort (Foto-Methode). Die Ergebnisse zeigten signifikante Unterschiede in der Flexibilität der Sprosse von S. anglica, P. maritima und E. athericus: Die höchste Sprossflexibilität wurde für P. maritima gemessen und die geringste Sprossflexibilität für S. anglica. Bei der Bestimmung der oberirdischen Biomasse lieferte die Foto-Methode genauere Ergebnisse als Messungen der Lichtverfügbarkeit im Pflanzenbestand. In der dritten Studie wurde die Wellendämpfungskapazität einer mit den Gräsern E. athericus und P. maritima sowie der einjährigen Hochstaude Atriplex prostrata (Spieß-Melde) bewachsenen Salzmarsch, unter durchschnittlichen Wassertiefen und Wellenhöhen bis hin zu extremen Sturmflutbedingungen, in einem Wellenkanalexperiment mit Echtmaßstab quantitativ erfasst. Die Ergebnisse zeigten, dass Salzmarschen Wellen selbst unter extremen Bedingungen deutlich dämpfen (20 % Wellendämpfung auf einer Strecke von 40 m). Durch den Vergleich der Wellendämpfung über der bewachsenen und der gemähten Marschoberfläche konnte ermittelt werden, dass etwa 60 % der gemessenen Wellendämpfung durch die Vegetation der Salzmarsch verursacht wurde. In der vierten Studie wurde im Rahmen des oben beschriebenen Wellenkanalexperiments die Interaktion der Vegetation mit der Strömung unter Wellen in Beständen der Gräser P. maritima und E. athericus analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Flexibilität der Sprosse und die Höhe der Vegetation sowie die Wassertiefe und Wellenhöhe sowohl für die Fähigkeit der Vegetation, die Strömung zu verlangsamen, als auch für die Beschädigung, die sie dabei erlitt, eine wichtige Rolle spielten. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der vier Studien dieser Arbeit, dass Salzmarschen einen großen Beitrag zum Küstenschutz leisten können und dass die Vegetation eine Schlüsselrolle für die Wellendämpfungskapazität von Salzmarschen spielt. Die Erkenntnisse zu der pflanzenartenspezifischen Auswirkung der Vegetation auf die Strömung unter Wellen sind von großer Wichtigkeit für die Vorhersage der Wellendämpfungskapazität von Salzmarschen mittels numerischer Modellierung und für zukünftige Forschungsarbeiten zur Stabilität und Resilienz von Salzmarschen bei steigendem Meeresspiegel und zunehmender Häufigkeit von Stürmen. Salzmarschmanagement mit dem Ziel, den Küstenschutz durch Salzmarschen zu optimieren, sollte die Erhaltung aller Sukzessionsstadien fördern, um von den verschiedenen Qualitäten der Salzmarschpflanzen im Bezug auf Wellendämpfungskapazität und Erosionsstabilität der Salzmarsch zu profitieren.

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