Vegetation succession and coastal protection by wave dissipation in salt marshes of North-West Europe

Salt marshes form at shallow tidal coasts under conditions of low water currents and continuous sedimentation and are characterised by a low species diversity and a high primary productivity. The ability of salt marshes to reduce wave height and energy (wave dissipation) implies that they can act as effective and sustainable elements of coastal protection schemes. The vegetation of salt marshes plays a key role in the process of wave dissipation over salt marsh surfaces. Consequently changes in salt marsh vegetation canopies and their biophysical characteristics, as occurring during the process of vegetation succession, have important implications for the wave coastal protection function of salt marshes. The present thesis comprises four studies and has the overall aim to assess trends in vegetation succession in mainland salt marshes of the Wadden Sea (Europe’s largest intertidal ecosystem complex) after the change in salt marsh management, and to quantify the wave dissipation capacity of marshes. In the first study main successional pathways of vegetation characterised by Puccinellia maritima and Festuca rubra, two grasses that dominated low and high marsh areas under intensive grazing, were analysed. The results revealed that since the abandonment of grazing and drainage, progressive succession towards vegetation determined by the dwarf shrub Atriplex portulacoides (low marsh) and the tall grass Elymus athericus (high marsh) strongly increased. The grazing regime and abiotic conditions related to elevation, large-scale environmental gradients of salinity, inundation frequency and vertical accretion were the major drivers of successional pathways. In the second study, stem flexibility, diameter and height was measured for three grasses (Spartina anglica, P. maritima and E. athericus) commonly occurring in North-West European salt marshes and above ground biomass and canopy height was quantified in stands of E. athericus and A. portulacoides. Furthermore, two non-destructive methodologies to assess above ground biomass as a proxy for more complex canopy bulk properties such as canopy structure and density were evaluated: Measurement of light availability within the canopy and side-on photography of vegetation (photo-method). Stem flexibility significantly differed between species: P. maritima had the most flexible stems, and as a result of their relatively large stem diameter, S. anglica the stiffest stems. With respect to the methods comparison the results showed that the photo-method is a more appropriate technique than the measurement of light availability within the canopy for the non-destructive assessment of above ground biomass. In the third study the wave dissipation capacity of a vegetated salt marsh with a mixed canopy of E. athericus, P. maritima, and the herbaceous forb Atriplex prostrata, under average up to storm surge wave conditions, was experimentally assessed in a real-scale flume experiment. The results revealed that the salt marsh caused considerable wave attenuation (around 20% over a 40 m distance), even when water levels and waves were highest. From a comparison with experiments without vegetation, it was estimated that up to 60% of observed wave reduction can be attributed to vegetation. In the fourth study, vegetation-wave interactions in the canopies of P. maritima and E. athericus were analysed in the framework of the large-scale flume experiment on wave dissipation by salt marshes mentioned above. The results revealed that canopy flexibility and height, as well as incident wave and water depth conditions, play an important role in the ability of vegetation to reduce the velocity of wave orbital flow and in physical damage occurring to vegetation under rising wave forces. Overall, the results reported in this thesis demonstrate that vegetated salt marsh surfaces considerably contribute to wave dissipation under average up to storm surge conditions and hence can be a valuable component of coastal protection schemes. Furthermore, the results provide insights into the species-specific control of flow and wave dissipation by salt marshes and have a high relevance for numerical modelling of the marsh wave dissipation capacity as well as for future studies on marsh stability and resilience under sea level rise and increasing storminess. Management schemes with the objective to optimise coastal protection provided by salt marshes should aim for the maintenance of all successional-stages to profit from the benefits that various plant species offer in terms of the marsh wave dissipation capacity and erosion stability. Salzmarschen sind gezeitengepragte Okosysteme und entwickeln sich an flachen, stromungsarmen Kusten im Ubergangsbereich zwischen Land und Meer durch die Ablagerung von Sedimenten. Sie zeichnen sich durch eine geringe Artenvielfalt und eine hohe Primarproduktion aus. Die Fahigkeit von Salzmarschen die Hohe und Energie von Wellen zu reduzieren (Wellendampfung) bedeutet, dass sie einen wichtigen Beitrag zum Kustenschutz leisten konnen. Die Vegetation spielt eine Schlusselrolle fur den Prozess der Wellendampfung uber der Marschoberflache. Daher haben Veranderungen in der Vegetation und ihren biophysikalischen Eigenschaften, wie sie in der zeitlichen Entwicklung der Vegetation (Sukzession) geschehen, einen bedeutenden Einfluss auf Kustenschutzfunktion von Salzmarschen. Ziel dieser Arbeit war die Erfassung von Haupttrends der Sukzession seit der Umstellung des Managements in den Festlandssalzmarschen des Wattenmeers, Europas groster Komplex tidebeeinflusster Okosysteme, und die Quantifizierung der Wellendampfungskapazitat von Salzmarschen. Zu diesem Zweck wurden vier Untersuchungen durchgefuhrt. In der ersten Studie wurden die Sukzession von Salzmarschvegetation bestehend aus den Grasern Puccinellia maritima (Andel) und Festuca rubra (Rotschwingel), welche die untere und obere Marsch unter intensiver Beweidung dominierten, analysiert. Die Ergebnisse der Studie zeigten, dass seit Reduzierung der Beweidung und Aufgabe der Entwasserung die Sukzession von fruhen zu spaten Stadien (vorwartsgerichtete Sukzession), dominiert durch den Zwergstrauch Atriplex portulacoides (Portulak-Keilmelde) und das Gras Elymus athericus (Strandquecke), stark zugenommen hat. Das Beweidungsregime, die Gelandehohe sowie Gradienten auf Landschaftsebene in der Salinitat des Uberflutungswassers, der Uberflutungshaufigkeit und des Hohenzuwachses der Marschen durch Sedimentablagerung, wurden als die wichtigsten steuernden Faktoren der Sukzession identifiziert. In der zweiten Studie wurden Sprossflexibilitat, Sprossdurchmesser und Sprosshohe fur drei Graser bestimmt, die in den Salzmarschen Nordwesteuropas sehr haufig vorkommen: Spartina anglica (Schlickgras), P. maritima und E. athericus. Daruber hinaus wurde die Genauigkeit von zwei Methoden verglichen, mit deren Hilfe es moglich ist, die oberirdische Biomasse zu quantifizieren ohne die Vegetation zu beschadigen: Messung der Lichtverfugbarkeit im Pflanzenbestand und Fotografie der Vegetation an ihrem Standort (Foto-Methode). Die Ergebnisse zeigten signifikante Unterschiede in der Flexibilitat der Sprosse von S. anglica, P. maritima und E. athericus: Die hochste Sprossflexibilitat wurde fur P. maritima gemessen und die geringste Sprossflexibilitat fur S. anglica. Bei der Bestimmung der oberirdischen Biomasse lieferte die Foto-Methode genauere Ergebnisse als Messungen der Lichtverfugbarkeit im Pflanzenbestand. In der dritten Studie wurde die Wellendampfungskapazitat einer mit den Grasern E. athericus und P. maritima sowie der einjahrigen Hochstaude Atriplex prostrata (Spies-Melde) bewachsenen Salzmarsch, unter durchschnittlichen Wassertiefen und Wellenhohen bis hin zu extremen Sturmflutbedingungen, in einem Wellenkanalexperiment mit Echtmasstab quantitativ erfasst. Die Ergebnisse zeigten, dass Salzmarschen Wellen selbst unter extremen Bedingungen deutlich dampfen (20 % Wellendampfung auf einer Strecke von 40 m). Durch den Vergleich der Wellendampfung uber der bewachsenen und der gemahten Marschoberflache konnte ermittelt werden, dass etwa 60 % der gemessenen Wellendampfung durch die Vegetation der Salzmarsch verursacht wurde. In der vierten Studie wurde im Rahmen des oben beschriebenen Wellenkanalexperiments die Interaktion der Vegetation mit der Stromung unter Wellen in Bestanden der Graser P. maritima und E. athericus analysiert. Die Ergebnisse zeigten, dass die Flexibilitat der Sprosse und die Hohe der Vegetation sowie die Wassertiefe und Wellenhohe sowohl fur die Fahigkeit der Vegetation, die Stromung zu verlangsamen, als auch fur die Beschadigung, die sie dabei erlitt, eine wichtige Rolle spielten. Insgesamt zeigen die Ergebnisse der vier Studien dieser Arbeit, dass Salzmarschen einen grosen Beitrag zum Kustenschutz leisten konnen und dass die Vegetation eine Schlusselrolle fur die Wellendampfungskapazitat von Salzmarschen spielt. Die Erkenntnisse zu der pflanzenartenspezifischen Auswirkung der Vegetation auf die Stromung unter Wellen sind von groser Wichtigkeit fur die Vorhersage der Wellendampfungskapazitat von Salzmarschen mittels numerischer Modellierung und fur zukunftige Forschungsarbeiten zur Stabilitat und Resilienz von Salzmarschen bei steigendem Meeresspiegel und zunehmender Haufigkeit von Sturmen. Salzmarschmanagement mit dem Ziel, den Kustenschutz durch Salzmarschen zu optimieren, sollte die Erhaltung aller Sukzessionsstadien fordern, um von den verschiedenen Qualitaten der Salzmarschpflanzen im Bezug auf Wellendampfungskapazitat und Erosionsstabilitat der Salzmarsch zu profitieren.