Modelling Spatial and Temporal Patterns of Surface Elevation and Vegetation in German North Sea Salt Marshes

Abstract

Coastal salt marshes are natural or semi-natural intertidal wetlands in the transition zone between marine and terrestrial ecosystems, underlying regular sedimentation and erosion processes. They provide a unique habitat with extreme and highly dynamic living conditions for plant and animal species, especially due to frequent flooding by sea water and more or less high salinity. The maintenance of salt marshes is considered highly important worldwide because of their major role in providing ecosystem services, such as biodiversity, habitat provision, coastal protection and carbon sequestration. One of the greatest impending threats for salt marshes – worldwide and in the Wadden Sea area – is the predicted sea level rise (SLR) in times of climate change, resulting in the question: “Can the salt marshes survive in the future?” Since the 1980s at many sites in the Wadden Sea salt marshes, livestock stocking rates were reduced or grazing was ceased, partly in combination with ceasing of the artificial drainage. Especially with regard to these changes in management, another question arose: “To graze or not to graze?” In view of both changes in management and the threat of increasing SLR, the main objective of this thesis was to improve the understanding of spatial and temporal patterns of surface elevation changes and of plant species’ distribution, dominance and richness in salt marshes. Thereby, the focus was on the Wadden Sea salt marshes along the North Sea coast of Schleswig-Holstein (Germany). The major aim was to evaluate which variables – varying on different scales and forming a complex network of abiotic and biotic factors along environmental, disturbance and productivity gradients – in which combinations are mainly driving and explaining the observed patterns. Using different modelling approaches, four main topics were addressed in this context: (a) analysis of long-term surface elevation changes in the salt marshes; (b) analysis of species’ distribution along the elevational gradient; (c) understanding of species richness patterns along environmental gradients; and (d) study of long-term effects of different management regimes on plant species richness and vegetation type diversity in salt marshes.

Salzmarschen sind natürliche oder halbnatürliche Feuchtgebiete im Übergang zwischen marinen und terrestrischen Ökosystemen, die regelmäßigen Sedimentations- und Erosions-Prozessen unterliegen. Sie bieten ein einzigartiges Habitat mit extremen und äußerst dynamischen Lebensbedingungen für Pflanzen- und Tierarten, insbesondere aufgrund der regelmäßigen Überflutungen durch Seewasser und mehr oder weniger hoher Salinität. Die Erhaltung von Salzmarschen wird weltweit als äußerst wichtig erachtet, unter anderem weil sie bedeutende Ökosystemleistungen erbringen, wie beispielsweise Biodiversität, Küstenschutz oder Kohlenstofffestlegung. Eine der größten Bedrohungen für die Salzmarschen – weltweit und in der Wattenmeer-Region – ist in Zeiten des Klimawandels der prognostizierte Meeresspiegelanstieg (SLR). Das führt zu der Frage: „Können die Salzmarschen mit dem SLR Schritt halten?“. Seit den 1980er Jahren wurde an vielen Stellen in den Wattenmeer-Salzmarschen die Beweidungsdichte des Viehbestandes reduziert oder die Beweidung aufgegeben, stellenweise in Kombination mit Aufgabe der künstlichen Entwässerung. Insbesondere im Hinblick auf diese Änderung im Management erwuchs eine andere Frage: „Wie wirkt sich die Änderung der Nutzung auf die Vegetation und die Ökosystemleistungen aus?“. Im Hinblick sowohl auf Änderungen des Managements als auch der Bedrohung durch SLR war das Hauptanliegen dieser Dissertation, räumliche und zeitliche Muster der Höhenlagen sowie der Verbreitung, Dominanz und Anzahl der Pflanzenarten zu beschreiben. Dabei lag der Fokus auf den Wattenmeer-Salzmarschen entlang der Nordseeküste von Schleswig-Holstein (Deutschland). Vorrangiges Ziel war es, zu evaluieren welche Variablen in welchen Kombinationen hauptsächlich die beobachteten Muster beeinflussen und erklären. Die Variablen wiederum variieren auf verschiedenen Skalen-Ebenen und formen ein komplexes Netzwerk aus abiotischen und biotischen Faktoren entlang von Umwelt-, Störungs- und Produktivitäts-Gradienten. Unter Verwendung verschiedener Modellierungs-Methoden wurden in diesem Kontext vier Themenschwerpunkte gesetzt: (a) Analyse langfristiger Höhenänderungen in den Salzmarschen; (b) Analyse der Verbreitung von Arten entlang des Höhengradienten; (c) Untersuchung der Muster des Artenreichtums entlang von Umweltgradienten; und (d) Studium der langfristigen Effekte verschiedener Management-Regime auf Artenreichtum und Vielfalt an Vegetationstypen in Salzmarschen.