Ecosystem functions of tidal marsh soils of the Elbe estuary

Abstract

Tidal marshes form a dynamic transition zone between periodically flooded tidal flats and terrestrial ecosystems. Marsh soils are an important component of these wetland ecosystems, providing valuable ecosystem functions like the storage of organic carbon (OC) and the retention of trace metals. The areal extent of tidal marshes at the Elbe estuary and elsewhere is declining and these coastal habitats are threatened by anthropogenic interference and climate change. Therefore, the capacity of tidal marsh soils to provide these ecosystem functions is reduced. In the first part of this study, soil organic carbon (SOC) pools were determined in tidal marshes along the salinity and elevation gradients of the Elbe estuary. For this purpose, tidal marsh soils were investigated along elevation transects reaching from low to high marshes and in five study sites comprising three salinity zones. SOC concentrations, bulk density, and soil texture were analyzed in all soil horizons down to 100 cm soil depth. The amount of initial allochthonous OC was derived from the OC content in fresh sediments. The deviation of the recent OC content in the soils from the initial content was interpreted as autochthonous accumulation or mineralization by microorganisms. δ13C values were used to validate this approach. The results of this study indicate an indirect influence of salinity and elevation on the SOC distribution and storage of the investigated marsh soils. Young, low marshes of the study sites seem to be predominantly influences by allochthonous OC deposition whereas the older, high marshes show autochthonous OC accumulation in the topsoils and mineralization in the subsoils. However, salinity seems to be an even stronger influencing factor reducing the above-ground biomass and, accordingly, the autochthonous OC input as well as the allochthonous input by enhanced mineralization of OC along the course of the estuary. In the second part of this study, the potential decomposability of the SOC pools was determined. For this purpose, an incubation experiment on selected soil samples was carried out. Topsoil and subsoil samples from the respective salinity zones and elevation classes were incubated under aerobic and anaerobic conditions, to determine factors influencing SOC turnover in the investigated marshes. The quantity and quality of soil organic matter had a major impact on the SOC turnover of the investigated samples. Higher turnover in topsoil samples which were provided with a bigger amount of labile organic substances from the vegetation than subsoil samples, in which big amounts of labile organic matter were most likely already decomposed, support this conclusion. Furthermore, the availability of oxygen was found to be one important factor for SOC turnover. However, a general difference in SOC decomposability between salinity zones or elevation classes explaining the differences in SOC pools could not be found. The third part of this thesis addresses the retention function of tidal marsh soils. Trace metal concentrations in soils (i.e. Cd, Hg, Pb, Zn, and As) were compared with those in suspended sediments to account for temporal changes in trace metal input as well as mobilization processes. In total, the investigated marsh soils had low contamination levels, since trace metal concentrations around geogenic background values were dominant in the study sites. High pH values in all study sites suggest a high retention capacity of the investigated soils. Along the elevation gradient trace metal pools increased with increasing height. This finding was attributed to the increasing marsh age along the elevation transect and the decreasing metal input over the last decades, resulting in lower contamination of low marshes which have high sedimentation and accretion rates. Consequently, low contaminated, young marshes could be distinguished from older high marsh profiles, the latter showing topsoil trace metal peaks from times of heavy pollution of the Elbe river. Altogether, this thesis provides a first evaluation of two important ecosystem functions of tidal marsh soils at the Elbe estuary, shows the contribution of these soils in geochemical processes like carbon cycling and trace metal retention, and gives indications on their future development in the face of predicted sea level rise and anthropogenic interference.

Tidemarschen bilden eine dynamische Übergangszone zwischen regelmäßig überfluteten Wattflächen und terrestrischen Ökosystemen. Marschböden stellen einen wichtigen Bestandteil dieser Feuchtgebiete dar, da sie wertvolle Ökosystemfunktionen bereitstellen, wie die Speicherung von organischem Kohlenstoff und die Retention von Schadstoffen. Sowohl am Elbe Ästuar wie auch anderswo, geht die flächenhafte Ausdehnung der Tidemarschen zurück. Diese Küstenökosysteme sind außerdem durch anthropogene Eingriffe und den Klimawandel bedroht. Die Kapazität der Marschböden diese Ökosystemfunktionen bereitzustellen ist somit begrenzt. Im ersten Teil dieser Untersuchung, wurden die organischen Bodenkohlenstoff-Pools entlang der Salinitäts- und Höhengradienten des Elbe Ästuars ermittelt. Hierzu wurden Marschböden entlang von Höhentransekten und in fünf Untersuchungsgebieten, die drei Salinitätszonen umfassten, untersucht. Organische Kohlenstoffgehalte, Bodendichte und Korngrößenzusammensetzung wurden in allen Horizonten bis in 100 cm Bodentiefe analysiert. Der Ausgangsgehalt an allochthonem organischem Kohlenstoff wurde aus dem organischen Kohlenstoffgehalt von frischen Sedimenten abgeleitet. Die Abweichung des rezenten organischen Kohlenstoffgehalts der Böden vom Ausgangsgehalt wurde als autochthone Anreicherung oder Mineralisation durch Mikroorganismen interpretiert. δ13C Werte wurden verwendet um diese Methode zu validieren. Die Ergebnisse dieser Untersuchung weisen auf einen indirekten Einfluss von Salinität und Höhenlage auf die Kohlenstoffverteilung und –speicherung in den untersuchten Böden hin. In den Untersuchungsgebieten scheinen junge, niedrig gelegene Marschen hauptsächlich durch allochthone Kohlenstoffablagerungen geprägt zu sein, während ältere, höher gelegene Marschen autochthone Anreicherung von organischem Kohlenstoff in den Oberböden und Mineralisation in den Unterböden zeigen. Salinität scheint jedoch ein noch stärkerer Einflussfaktor zu sein, da sie sowohl die oberirdische Biomasse und somit den autochthonen Eintrag von organischem Kohlenstoff als auch den allochthonen Eintrag durch Mineralisation von organischem Kohlenstoff im Verlauf des Ästuars reduziert. Im zweiten Teil dieser Studie, wurde die potentielle Umsetzbarkeit der organischen Bodenkohlenstoff-Pools bestimmt. Zu diesem Zweck wurde ein Inkubationsexperiment mit einigen ausgewählten Bodenproben durchgeführt. Oberboden- und Unterbodenproben der jeweiligen Salinitätszonen und Höhenstufen wurden unter aeroben und anaeroben Bedingungen inkubiert, um Einflussfaktoren des Kohlenstoffumsatzes der untersuchten Marschen zu bestimmen. Die Quantität und Qualität der organischen Substanz hatte einen bedeutenden Einfluss auf den Bodenkohlenstoffumsatz der untersuchten Proben. Ein größerer Kohlenstoffumsatz in Oberbodenproben, die mit einer größeren Menge an labiler organischer Substanz durch die Vegetation versorgt werden, als in Unterbodenproben, in denen große Mengen der labilen organischen Substanz höchstwahrscheinlich bereits abgebaut waren, unterstützen diese Schlussfolgerung. Sauerstoffverfügbarkeit wurde als ein weiterer wichtiger Faktor für den Umsatz von organischem Bodenkohlenstoff ermittelt. Dennoch konnte ein genereller Unterschied der Umsetzbarkeit von organischem Bodenkohlenstoff zwischen Salinitätszonen oder Höhenstufen nicht festgestellt werden. Der dritte Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Retentionsfunktion der Marschböden. Spurenmetallkonzentrationen der Böden (Cd, Hg, Pb, Zn und As) wurden mit denen in schwebstoffbürtigen Sedimenten verglichen, um zeitliche Veränderungen des Spurenmetalleintrags sowie Mobilisierungsprozesse berücksichtigen zu können. Insgesamt wiesen die untersuchten Marschböden ein geringes Belastungsniveau auf, da Spurenmetallkonzentrationen im Bereich der geogenen Hintergrundgehalte in den Untersuchungsgebieten vorherrschten. Hohe pH Werte in allen Untersuchungsgebieten legen eine hohe Retentionskapazität der untersuchten Böden nahe. Entlang des Höhengradienten nahmen die Spurenmetall-Pools mit zunehmender Höhe zu. Dieses Ergebnis wurde dem zunehmenden Alter der Marsch entlang des Höhentransekts und einer Abnahme der Metalleinträge in den letzten Jahrzehnten zugeordnet, was eine geringere Belastung der unteren Marsch zur Folge hat, die wiederum durch hohe Sedimentations- und Auflandungsraten geprägt ist. Folglich, konnten gering belastete, junge Marschprofile von älteren, höher gelegenen Marschprofilen unterschieden werden, die Spurenmetall-Peaks aus Zeiten stärkster Schadstoffbelastung der Elbe im Oberboden aufwiesen. Die vorliegende Doktorarbeit bietet also eine erste Einschätzung zweier wichtiger Ökosystemfunktion der Marschböden des Elbe Ästuars, zeigt die Beteiligung dieser Böden an geochemischen Prozessen wie dem Kohlenstoffkreislauf und der Retention von Spurenmetallen und gibt Hinweise auf deren zukünftige Entwicklung angesichts eines steigenden Meeresspiegels und anthropogener Beeinflussungen.