The silica and inorganic carbon system in tidal marshes of the Elbe estuary, Germany : Fluxes and spatio-temporal patterns

Abstract

Tidemarschen sind Schnittstellen zwischen terrestrischen und aquatischen Ökosystemen. Sie sind für ihre Transformationskapazitäten in Bezug auf anorganische und organische Nährstoffe bekannt und können laterale Nährstoffflüsse in der Küstenzone beeinflussen. In dieser Studie wurden die Tidemarschen des Elbe Ästuars, Deutschland, in Bezug auf den Silizium- und den anorganischen Kohlenstoffkreislauf hin untersucht. Dafür wurden drei Messstationen entlang des ästuarinen Salzgehaltsgradienten über einen Zeitraum von zwei Jahren beprobt, um die ganze Land Ozean Übergangszone einzubeziehen. Die Ergebnisse bestätigten die tidalen Muster gelöster Siliziumkonzentrationen (DSi), welche auch in anderen Tidemarschen beobachtet worden waren. Sickerwasser-konzentrationen waren um ein Mehrfaches höher als Konzentrationen während des Hochwassers. Entlang des Salzgehaltsgradienten erhöhten sich DSi Sickerwasser-konzentrationen von der Süßwassermarsch bis zur Brackwassermarsch, wie aufgrund des Einflusses von Salzgehalt auf die Lösungsraten von biogenem Silizium (BSi) erwartet. Im Jahresverlauf stiegen die DSi Konzentrationen in der Brackwasser- und Salzmarsch von Frühling bis Herbst an. Die Auswirkungen der benthischen DSi Aufnahme auf die Sickerwasserkonzentrationen konnte im März untersucht werden. Die DSi Konzentrationen wurden zwischen Sonnenaufgang und Mittag um 18,6% reduziert, was die Bedeutung von benthischen Diatomeen für die Regulation von Nährstoffflüssen in diesem Ökosystemen untermauert. Im Juli trugen die DSi Flüsse von den Tidemarschen signifikant zum DSi Budget des Elbe Ästuars bei und machten zwischen 52-70% der DSi Gesamtfracht der Elbe aus. Der zweite Teil der Arbeit untersuchte die Bedeutung der DSi Flüsse für das DSi Budget der Nordsee, um die Frage zu beantworten, ob diese Flüsse auf Skalen, die ästuarine Systeme überschreiten, signifikant sein können. Geographische-Informations-System (GIS) Daten von Salzwiesen wurde mit publizierten Salzmarsch DSi Flüssen aus Europa und der USA kombiniert, um den totalen Salzmarsch DSi Fluss in die Nordsee zu berechnen. Es konnte gezeigt werden, dass der mittlere jährliche Beitrag der Salzmarschen zum DSi Budget der Nordsee nur 0.7% des fluvialen Eintrags ausmachte. Im Sommer war dieser Beitrag höher (2.4%), aber immer noch unbedeutend im Vergleich zum fluvialen Eintrag. Daraus wurde gefolgert, dass Salzmarschen keine wichtige Rolle im DSi Budget der Nordsee einnehmen. In Küstenregionen jedoch, in denen der fluviale DSi Eintrage niedrig und die Salzmarschflächen hoch sind, z.B. in Bereichen wie dem Ärmelkanal, kann der Beitrag im Sommer bedeutsam werden. Deshalb sollten Studien kleiner Küstenabschnitte, die den Land-Ozean Fluss von Silizium untersuchen, Salzmarschen berücksichtigen. Im dritten Teil der Arbeit wurde die Verteilung der stabilen Silizium Isotope (δ30Si) in den Tidemarschen und im Elbe Ästuar selbst untersucht. Es wurde gezeigt, dass die tidalen Muster des δ30Si an jeder Messtation verschieden waren. In der Süßwassermarsch verursachten Überflutungen eine Angleichung der δ30Si Werte aus Sickerwasser und Überschwemmungswasser an nahezu identische Werte. In der Brackwassermarsch hatte das Sickerwasser höhere δ30Si Werte als das Hochwasser, was auf Fraktionierungsprozesse im Boden-Pflanzen System hinweist. Diese Werte waren unter den höchsten, die für Bodenlösungen publiziert worden sind und erreichten Werte von 3,26‰. Überraschenderweise was das Isotopensignal in der Salzmarsch signifikant niedriger als in der Brackwassermarsch, was möglicherweise auf weniger intensive Fraktionierungsprozesse zurückzuführen war. Die Daten des ästuarinen Längsprofils zeigten, dass die Süßwasserzone des Ästuars ein Ort starker Modifikationen des δ30Si Signals ist. Im Oktober verursachten die Aufnahme von DSi durch Diatomeen steigende δ30Si Werte und sinkende DSi Konzentrationen entlang des Längstprofils. Im Dezember war das Ästuar eine Quelle für DSi, was möglicherweise auf den DSi Eintrag über Nebenflüsse zurückzuführen war. Das Isotopensignal wurde in der Region des Hamburger Hafens stark verändert. Bedauerlicherweise erlaubte der Mangel an komplementären Daten keine Identifizierung der Hauptprozesse, die für die Veränderung des δ30Si Signals verantwortlich waren. Zusammenfassend zeigte diese Studie zum ersten Mal, dass das δ30Si Signal während des ästuarinen Übergangs auch in Monaten, in denen die biologische Aktivität niedrig ist, stark verändert werden kann. Der letzte Teil der Arbeit untersuchte die räumlich-zeitliche Variabilität des anorganischen Karbonatsystems in Tidemarschen der Elbe. Es konnte gezeigt werden, dass die Tidemarschen der Elbe Quellen für gelösten anorganischen Kohlenstoff (DIC) und Alkalinität (TA) waren. Im Durchschnitt war der DIC Export von den Marschflächen für 17% des überschüssigen DIC des Ästuares verantwortlich. Zusätzlich wurde gezeigt, dass die wichtigste Quelle für TA Kalziumcarbonat Lösung war. Dieser Prozess wurde in vorhergehenden Studien in den USA nicht berücksichtigt. Es wurde vermutet, dass die Verschiedenen TA Quellen in US Marschen und den Elbmarschen auf die unterschiedliche Morpho- und Hydrologie der Küstenzonen zurückgeht, d.h. die Präsenz einer Flachwasserküste in Kombination mit höheren Tidekräften. Aufgrund des Fehlens der CaCO3 Lösung in US Marschen ist der Boden pH möglicherweise niedriger, was eine Erniedrigung der BSi Lösungsraten zur Folgen haben könnte. Dies würde die Langzeitspeicherung von BSi in diesen Marschböden erhöhen. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass die Tidemarschen der Elbe, in Bezug auf laterale Stoffflüsse, wichtige Teile des ästuarinen Silizium- und Kohlenstoffkreislaufs sind. Für den Siliziumkreislauf jedoch, sind die DSi Flüsse von Salzmarschen in der Küstenzone auf Skalen, die die ästuarine Dimension überschreiten, von geringer Bedeutung, wie am Beispiel der Nordsee gezeigt worden ist. Bezüglich des anorganischen Kohlenstoffsystems der Tidemarschen konnte gezeigt werden, dass Kalziumkarbonat Lösung der wichtigstes TA erzeugende Prozess war und nicht Sulfatreduktion, wie es in US amerikanischen Tidemarschen der Fall ist. Dieser Befund führte zur Hypothese, dass das Fehlen des Karbonatpuffers in den Böden der Tidemarschen zu einer erhöhten Langzeitlagerung von BSi aufgrund niedriger BSi Lösungsraten kommen könnte. Dies würde eine neue Verbindung zwischen dem anorganischen Kohlenstoffkreislauf und dem Silizium Kreislauf darstellen, die bisher noch nicht Untersuchungsgegenstand biogeochemischer Studien gewesen ist.

Tidal marshes are interfaces between terrestrial and aquatic ecosystems. They are known for their transformation capacities regarding inorganic and organic nutrients and can influence lateral nutrient fluxes in estuarine and coastal systems. In this study the tidal marshes of the Elbe estuary, Germany, were studied with respect to the silica cycle and the inorganic carbon system. Therefore, three sampling sites along the estuarine salinity gradient were sampled over a two year period to represent the whole land ocean transition zone. Results confirmed the tidal patterns of dissolved silica (DSi) concentrations observed in other tidal marsh environments. Seepage concentrations were several fold higher then concentrations during the bulk phase. Along the salinity gradient DSi concentrations increased from the freshwater to the brackish marsh as expected from the influence of salinity on biogenic silica (BSi) dissolution rates. Seasonally, DSi concentrations increased from spring to autumn at the brackish and salt marsh site. The impact on benthic DSi uptake on seepage concentrations could be studied in March 2011. There, DSi concentrations were reduced by 18.6% between sunrise and noon, corroborating the importance of benthic diatoms for the regulation of nutrient fluxes in these ecosystems. DSi fluxes from the tidal marshes were significant contributors to the estuarine DSi budget in July, accounting for 52-70% of the total DSi load of the Elbe River. The second part of the thesis explored the importance of DSi fluxes for the total North Sea DSi budget to answer the question whether these fluxes can be significant on larger than estuarine scales. Geographic information system (GIS) data of salt marsh areas was combined with published DSi fluxes from salt marshes in Europe and the USA to derive the total DSi flux into the North Sea. It could be shown that the annual average contribution of salt marshes to the DSi budget of the North Sea amounted to only 0.7% of the annual riverine input. During summer this contribution was larger (2.4%) but still insignificant compared to the riverine inputs. It was concluded that salt marshes do not play an important role in the DSi budget of the North Sea. However, in coastal regions with low riverine DSi input and large salt marsh areas, like the English Channel, the contribution could become significant in summer. Therefore, studies of smaller coastal segments should consider tidal marshes when assessing land ocean Si fluxes. In the third part of the thesis the distribution of stable silicon isotopes (d30Si) was studied. For the first time δ30Si were measured in water of tidal marsh ecosystems. It was shown that the tidal pattern of δ30Si was different at each sampling station. At the freshwater site flooding previous to the sampling caused the seepage and bulk signal to be virtually equal. At the brackish site seepage water had higher δ30Si values than the bulk water, indicating fractionation processes in the soil-plant system. These values were also amongst the highest reported for soil solutions, reaching 3.26‰. Surprisingly, the isotopic signal of the seepage water at the saline site was significantly lower than at the brackish site, probably due to less intense fractionation processes in the soil-plant system. The data from the estuarine transects revealed that the freshwater zone is a location of intense modification of the δ30Si signal. Uptake of DSi by diatoms caused increasing δ30Si values and a decrease of DSi concentrations along the estuary in October. In December, when biological activity was minimal, the estuary was a source for DSi, probably due to the input of DSi by tributaries. The isotopic signal was heavily altered in the region of the Hamburg harbour. Unfortunately, the lack of complementary data did not allow an identification of the main processes responsible for the alteration. In conclusion, this study showed for the first time, that the δ30Si signal is altered during estuarine transition even in month where biological DSi uptake is low. The last part of the thesis shed light on the spatio-temporal variability of the inorganic carbonate system in tidal marsh systems. It could be shown that carbonate dissolution in the tidal marshes of the Elbe estuary is the main process that turns these areas into sources of dissolved inorganic carbon and alkalinity for the estuary. On average the DIC export from the marsh areas could account for about 17% of the excess DIC in the estuary. This process was not accounted for in previous studies conducted in US tidal marshes. It was hypothesised that the different TA sources in US marshes and the study areas are related to the morphology and hydrology of the coastal zone, i.e. the presence of a shallow shelf sea combined with higher tidal forces. Due to the absence CaCO3 dissolution, soil pH is possibly lower in the US marshes which would decrease the BSi dissolution rates of BSi and affects the overall long term storage capacity of those marshes, which implies a coupling between the inorganic carbon cycle and the silica cycle in tidal marshes. In summary, it could be shown that the tidal marsh areas in the Elbe estuary are important parts of the estuarine silica and carbon cycle, with respect to lateral export fluxes. For the silica cycle however, the spatial significance of tidal marsh system seems to be small at scales larger than an estuarine system, as was shown for the North Sea. Regarding the inorganic carbon system of tidal marshes, it could be shown that calcium carbonate dissolution was the main TA generating process and not sulphate reduction as in tidal marshes of the USA. This finding lead to the hypothesis that the absence of the carbonate buffer might lead to an increased BSi long term storage, due to lower BSi dissolution rates – a link between the inorganic carbon cycle and silica cycle which had not been addressed.