Tidal marshes of the Elbe Estuary : spatial and temporal dynamics of sedimentation and vegetation

Tidal marshes are vegetated ecosystems dominated by herbaceous plants, which are found along the shores of coasts and estuaries and are often bordered by tidal flats. Tidal marshes and tidal flats play an important role in coastal protection. They provide habitat for flora and fauna, they are a key component of element cycling between terrestrial and marine Systems, and they are used in different degrees for agricultural purposes. In these ecosystems, sediment deposition and tidal inundations cause distinct elevational zones: unvegetated tidal flats in the lowest and most frequently submerged areas, species-poor low marshes dominated by species with adaptations for regular inundations, and high marshes with high species richness and only sporadic inundations. This zonation along the elevational gradient can be seen as an outcome of progressive succession as a consequence of continual sediment deposition and an associated increase in surface elevation. A development in the opposite direction, e.g., from tidal marsh communities to tidal flats, can be interpreted as regressive succession. In addition, differences in salinity of the adjacent ocean and tidal river shape a salinity gradient along estuaries with highest levels at the mouth of estuaries and decreasing salinity upstream as freshwater mixes with seawater. This salinity gradient is usually reflected in the distinct vegetation of tidal freshwater, brackish and salt marshes. Stability of tidal marshes in relation to rising sea-level depends on accretion rates. Vertical accretion in estuarine marshes is a complex function of different interacting factors with high variability in space and time. Variables such as inundation (frequency, duration, and height), distance to the sediment source (marsh edge and/or creek), suspended-sediment concentration of the inundation water, standing biomass, and seasonal variations of these factors have all been found to affect sediment deposition. Accretion rates are determined by rates of sediment deposition, erosion and compaction of minerogenic and organogenic particles, as well as subsurface accumulation of dead belowground biomass, and shallow subsidence processes. In times of climate change and associated sea-level rise, knowledge about the relationship between the above mentioned spatial and temporal factors affecting sedimentation and the resulting accretion rates is gaining high importance. The Elbe Estuary is the largest estuary along the German coast. In 2011, tidal marshes covered an area of 75 km² and adjacent tidal flats extended over 187 km² between the city of Hamburg and the mouth of the estuary. However, almost all tidal marshes of the Elbe Estuary have been altered for decades by embankments, channel deepening, channel straightening, and other engineering activities. These activities affect sediment dynamics and may lead to temporal changes in sediment deposition and resulting vegetation patterns along estuarine gradients; processes which have been poorly documented for the Elbe Estuary. The aim of this thesis was to determine the recent marsh development (1980–2010) and to identify factors that are influencing progressive and regressive succession of elevational zones. Furthermore, measurements of short-term sediment deposition with a high spatial resolution in salt, brackish and tidal freshwater marshes serve to identify the most important factors affecting sediment deposition and to investigate whether current marsh surface accretion rates are sufficient to compensate predicted sea-level rise. In addition, comparability of sediment-deposition rates of commonly used sediment-trap types and related studies is impeded by differences in trapping efficiency. For that reason, a flume- study was conducted to compare the performance of different sediment-trap types for short-term measurements of sediment-deposition rates. Tidemarschen sind von krautigen Pflanzen bewachsene Okosysteme, die entlang von Kusten und Astuaren auftreten und seeseitig haufig von Watten begrenzt sind. Tidemarschen und Watten haben grose Bedeutung fur den Kustenschutz. Sie bieten Habitate fur Fauna und Flora, erfullen eine Schlusselrolle im Stoffkreislauf zwischen terrestrischen und marinen Systemen und werden zum Teil landwirtschaftlich genutzt. In diesen Okosystemen verursachen unterschiedliche Sedimentablagerungen und Uberflutungsbedingungen eine ausgepragte Zonierung. In den am tiefsten gelegenen und am haufigsten uberfluteten Bereiche befinden sich Watten, die durch das Fehlen von Hoheren Pflanzen charakterisiert sind. In Bereichen mit periodisch auftretender Uberflutung befinden sich die relativ artenarmen Unteren Marschen. Nur von unregelmasigen Uberflutungen gepragt, entwickeln sich die Oberen Marschen, die sich im Gegensatz zur Unteren Marsch durch einen hoheren Artenreichtum auszeichnen. Diese Zonierung resultiert aus einer „progressiven“ (fortschreitenden) Sukzession durch fortlaufende Sedimentablagerungen und dem damit verbundenen Anstieg der Gelandehohe. Die entgegengesetzte Entwicklung wird als „regressive“ (ruckwartsgerichtete) Sukzession bezeichnet. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn sich die Untere Marsch zu Watten entwickelt. Als zweiter die Zonierung beeinflussende Gradient wird in der vorliegenden Arbeit die Salinitat betrachtet. Sie wird masgeblich durch angrenzende Ozeane bzw. einen tidegepragten Fluss bestimmt. Unterschiede der Salinitat sind ein typisches Merkmal in Astuaren. Die Salinitat nimmt mit zunehmendem Abstand zur Mundung und erhohter Suswasserbeimischung ab. Die Stabilitat der Tidemarschen ist eng vom Verhaltnis zwischen Meeresspiegelanstieg und Auflandungsraten abhangig. Vertikale Auflandungsraten auf astuarinen Marschflachen sind eine komplexe Funktion von verschiedenen interagierender Einflussfaktoren, die zusatzlich noch eine hohe raumliche und zeitliche Variabilitat aufweisen. Als wichtige, die Sedimentablagerung beeinflussende Faktoren wurden die Uberflutungshaufigkeit, -dauer und -hohe, die Entfernung zur Sedimentquelle (Marschkante und/oder Priel), die im Uberflutungswasser suspendierten Schwebstoffe, der Pflanzenbewuchs sowie die jahreszeitlichen Unterschiede in diesen Faktoren identifiziert. Auflandungsraten setzen sich aus Sedimentablagerung, Verdichtungen sowie Erosion der mineralischen und organischen Partikel zusammen. Ebenso spielen eine unterirdische Anreicherung von abgestorbener Biomasse (z.B. Wurzeln) und Bodensenkungsprozesse eine Rolle. In Zeiten des Klimawandels und dem damit verbundenen Anstieg des Meeresspiegels sind Kenntnisse uber raumliche und zeitliche Variabilitat der aufgezahlten Einflussfaktoren von entscheidender Bedeutung, da diese die Sedimentablagerungen und folglich die sich daraus ableitenden Auflandungsraten beeinflussen. Das Mundungsgebiet der Elbe weist das flachenmasig groste Astuar an der deutschen Kuste auf. Im Jahr 2011 erstreckten sich die Tidemarschen zwischen dem Hamburger Stadtgebiet und der Mundung bei Cuxhaven/Friedrichskoog Spitze uber insgesamt 75 km². Die angrenzenden Watten bedeckten 187 km². Nahezu alle Tidemarschen im Elbe-Astuar sind seit Jahrzehnten Masnahmen wie Deichbau, Vertiefungs- und Begradigungsmasnahmen des Flusses und diversen Strombaumasnahmen ausgesetzt. Diese Masnahmen beeinflussen die raumliche Sedimentationsdynamik, was zu einer Veranderung der Sedimentablagerung und den damit zusammenhangenden Vegetationsmustern fuhrt. Diese Veranderungsprozesse sind fur das Elbe-Astuar bisher nur sehr unzureichend dokumentiert. Die Zielsetzung der vorliegenden Doktorarbeit lag zum einen in der Darstellung der Marschentwicklung zwischen 1980 und 2010 und in der Identifizierung der zugrundeliegenden Einflussfaktoren, die fur die progressive sowie regressive Sukzessionen der Marschen verantwortlich waren. Ebenso wurden raumlich hochaufgeloste Kurzzeit-Untersuchungen zur Sedimentablagerung in jeweils einer Salz-, Brack- und Suswassermarsch durchgefuhrt, um die fur Sedimentablagerung wichtigsten Einflussfaktoren zu ermitteln und aus den berechneten Auflandungsraten eine Abschatzung zur Widerstandsfahigkeit der Marschen im Hinblick auf die Meeresspiegelanstiegs-Prognosen geben zu konnen. Weiterhin wurde ein Vergleich der Effektivitat („Fangigkeit“) von haufig verwendeten Sedimentfallentypen in einem Stromungskanal durchgefuhrt. Hierdurch sollte die Interpretation von Ergebnisse anderer Kurzzeit-Untersuchungen erleichtert werden.