Ecosystem functions of tidal marsh soils of the Elbe estuary

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 Ubergangszone zwischen regelmasig uberfluteten Wattflachen und terrestrischen Okosystemen. Marschboden stellen einen wichtigen Bestandteil dieser Feuchtgebiete dar, da sie wertvolle Okosystemfunktionen bereitstellen, wie die Speicherung von organischem Kohlenstoff und die Retention von Schadstoffen. Sowohl am Elbe Astuar wie auch anderswo, geht die flachenhafte Ausdehnung der Tidemarschen zuruck. Diese Kustenokosysteme sind auserdem durch anthropogene Eingriffe und den Klimawandel bedroht. Die Kapazitat der Marschboden diese Okosystemfunktionen bereitzustellen ist somit begrenzt. Im ersten Teil dieser Untersuchung, wurden die organischen Bodenkohlenstoff-Pools entlang der Salinitats- und Hohengradienten des Elbe Astuars ermittelt. Hierzu wurden Marschboden entlang von Hohentransekten und in funf Untersuchungsgebieten, die drei Salinitatszonen umfassten, untersucht. Organische Kohlenstoffgehalte, Bodendichte und Korngrosenzusammensetzung 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 Boden 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 Salinitat und Hohenlage auf die Kohlenstoffverteilung und –speicherung in den untersuchten Boden hin. In den Untersuchungsgebieten scheinen junge, niedrig gelegene Marschen hauptsachlich durch allochthone Kohlenstoffablagerungen gepragt zu sein, wahrend altere, hoher gelegene Marschen autochthone Anreicherung von organischem Kohlenstoff in den Oberboden und Mineralisation in den Unterboden zeigen. Salinitat scheint jedoch ein noch starkerer 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 Astuars reduziert. Im zweiten Teil dieser Studie, wurde die potentielle Umsetzbarkeit der organischen Bodenkohlenstoff-Pools bestimmt. Zu diesem Zweck wurde ein Inkubationsexperiment mit einigen ausgewahlten Bodenproben durchgefuhrt. Oberboden- und Unterbodenproben der jeweiligen Salinitatszonen und Hohenstufen wurden unter aeroben und anaeroben Bedingungen inkubiert, um Einflussfaktoren des Kohlenstoffumsatzes der untersuchten Marschen zu bestimmen. Die Quantitat und Qualitat der organischen Substanz hatte einen bedeutenden Einfluss auf den Bodenkohlenstoffumsatz der untersuchten Proben. Ein groserer Kohlenstoffumsatz in Oberbodenproben, die mit einer groseren Menge an labiler organischer Substanz durch die Vegetation versorgt werden, als in Unterbodenproben, in denen grose Mengen der labilen organischen Substanz hochstwahrscheinlich bereits abgebaut waren, unterstutzen diese Schlussfolgerung. Sauerstoffverfugbarkeit wurde als ein weiterer wichtiger Faktor fur den Umsatz von organischem Bodenkohlenstoff ermittelt. Dennoch konnte ein genereller Unterschied der Umsetzbarkeit von organischem Bodenkohlenstoff zwischen Salinitatszonen oder Hohenstufen nicht festgestellt werden. Der dritte Teil dieser Arbeit beschaftigt sich mit der Retentionsfunktion der Marschboden. Spurenmetallkonzentrationen der Boden (Cd, Hg, Pb, Zn und As) wurden mit denen in schwebstoffburtigen Sedimenten verglichen, um zeitliche Veranderungen des Spurenmetalleintrags sowie Mobilisierungsprozesse berucksichtigen zu konnen. Insgesamt wiesen die untersuchten Marschboden ein geringes Belastungsniveau auf, da Spurenmetallkonzentrationen im Bereich der geogenen Hintergrundgehalte in den Untersuchungsgebieten vorherrschten. Hohe pH Werte in allen Untersuchungsgebieten legen eine hohe Retentionskapazitat der untersuchten Boden nahe. Entlang des Hohengradienten nahmen die Spurenmetall-Pools mit zunehmender Hohe zu. Dieses Ergebnis wurde dem zunehmenden Alter der Marsch entlang des Hohentransekts und einer Abnahme der Metalleintrage in den letzten Jahrzehnten zugeordnet, was eine geringere Belastung der unteren Marsch zur Folge hat, die wiederum durch hohe Sedimentations- und Auflandungsraten gepragt ist. Folglich, konnten gering belastete, junge Marschprofile von alteren, hoher gelegenen Marschprofilen unterschieden werden, die Spurenmetall-Peaks aus Zeiten starkster Schadstoffbelastung der Elbe im Oberboden aufwiesen. Die vorliegende Doktorarbeit bietet also eine erste Einschatzung zweier wichtiger Okosystemfunktion der Marschboden des Elbe Astuars, zeigt die Beteiligung dieser Boden an geochemischen Prozessen wie dem Kohlenstoffkreislauf und der Retention von Spurenmetallen und gibt Hinweise auf deren zukunftige Entwicklung angesichts eines steigenden Meeresspiegels und anthropogener Beeinflussungen.