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Key ecosystem engineers in estuarine vegetation
their niches, traits, and services for coping with hydrodynamic stress
Heuner, Maike
One key service of estuarine marsh vegetation is flooding and storm surge protection by virtue of them dissipating the energy of waves and currents. This vegetation-based shoreline protection is more adaptable to sea-level rise than traditional engineered methods of self-generated marsh elevation. In order to promote this service in estuaries, the understanding of the interaction between hydrodynamic forces, traits of vegetation-forming species, species habitat conditions, and their capacity of ecosystem engineering has to be improved. Therefore, we investigated the emergent macrophytes Scirpus tabernaemontani, Scirpus maritimus, and Phragmites australis as key ecosystem engineers in the Elbe and Weser estuaries being model systems for altered estuaries in Europe. We performed studies in a geographic information system as well as full-scale wave-flume experiments. Furthermore, we estimated species distribution models and applied them to real and virtual restoration sites. The niches of species exposed to hydrodynamic stress were described and their boundaries defined for the two estuaries. For several wave conditions causing hydrodynamic stress for plants, we measured (1) effects of drag force and scouring as well as (2) effect and response traits. These findings were related to the described species niches differentiated in elevational distribution. In constructing the niches, the traits reflect different strategies of stress resistance. Therefore, we concluded that traits are directly in balance with the functional niche. Furthermore, the results of wave dissipation showed that the ecosystem engineering capacities of the species are adapted to their constructed niches affected by different hydrodynamic stress. To strengthen the service of vegetation-based shoreline protection, shorelines have to be restored. Using the species distribution models, we found that (1) restoring shallow waters increases the habitat suitability for marsh plants on tidal flats, and (2) restorations combined with engineering elements such as groynes have positive effects on the shoreline habitat compared to shorelines with stone linings. Additionally, we verified that equations usually used for calculating the hydraulic effects of obstacles can also be applied to predict drag and scour depth of plants. However, uncertainty increases with increasing wave periods and with the complexity in plant morphology. In future, these equations can help to describe the suitable habitats of these plant species. The thesis concludes by providing a response to why and how hydrodynamic forces drive plant species niches of shoreline vegetation in estuaries. Further points discussed are the potential of vegetation-based shoreline protection in estuaries, the existence of limiting factors, and the missing insights for quantifying and assessing the protective ecosystem service provided by estuarine vegetation.
Im Ästuar schützt die Vorlandvegetation durch die Reduzierung von Strömungen und Wellenenergie Ufer und Deich vor der Zerstörungskraft der Sturmfluten. Gegenüber dem technischen Uferschutz ermöglicht diese Ökosystemleistung eine bessere Anpassung an den Meeresspiegelanstieg durch resultierende Sedimentablagerungen. Um diese Ökosystemleistung effektiv zu stärken, müssen die Wechselwirkungen zwischen den hydrodynamischen Kräften, den Merkmalen der dominanten Arten im Vorland, deren Standortbedingungen und ihren Fähigkeiten, den eigenen Lebensraum zu verändern, besser verstanden werden. Wichtige Ökosystemingenieure wie die Röhrichte Scirpus tabernaemontani, Scirpus maritimus, und Phragmites australis werden im Elbe- und Weserästuar untersucht. Sie sind repräsentativ für Ästuare in Europa. Daten aus geographischen Informationssystemen und aus durchgeführten Wellenexperimenten werden analysiert. Habitateignungsmodelle werden erstellt und für potenzielle Renaturierungsgebiete angewendet. Die Nischen der Röhrichte, die dem hydrodynamischen Stress ausgesetzt sind, werden mit diesen Modellen beschrieben und dadurch die Grenzen der Verbreitungsgebiete in den genannten Ästuaren definiert. Für verschiedene Wellensituationen, die den hydrodynamischen Stress verursachen, werden die Widerstandskräfte der Pflanzen und die Erosion um ihren Stängel gemessen. Des Weiteren werden Pflanzenmerkmale bestimmt und in Beziehung zu den hydrodynamischen Belastungen gesetzt. Die Nischen, die die Röhrichte sich selber schaffen, unterscheiden sich in ihrer Höhe zum mittleren Tidehochwasser. Zur Nischenbildung verfolgen sie verschiedene Strategien der Stressresistenz, die sich in den Pflanzenmerkmalen widerspiegeln. Diese stehen dadurch in direkter Beziehung zum Habitat. Die Pflanzen weichen dem hydrodynamischen Stress entweder mit sehr biegsamen Stängeln aus, wenn er zu stark ist, oder sie tolerieren ihn mit festeren Stängeln. Auch die Wellenreduktionleistung der einzelnen Arten ist dem Habitat angepasst, das aufgrund der verschiedenen Höhenlagen unterschiedlich starken Belastungen ausgesetzt ist. Um die Ökosystemleistung zu stärken, müssen versteinte Ufer zurückgebaut werden, um ihnen mehr Raum zur Entwicklung zu geben. Mit Hilfe der Habitateignungsmodelle haben wir herausgefunden, dass durch die Schaffung von Flachwasserzonen die Fläche der geeigneten Habitate zunimmt. Weiterhin hat sich gezeigt, dass der Bau von Buhnen gegenüber versteinten Ufern zu einer Verbesserung der Habitateignung führt. Mit den erhobenen Messungen in den Experimenten haben wir Formeln getestet, die üblicherweise benutzt werden, um die hydraulischen Effekte von Hindernissen zu berechnen. Die Tests sind positiv ausgefallen: Die Formeln können zur Berechnung der Stängelerosion und der Widerstandskraft der Pflanzenstängel angewendet werden. Nur muss beachtet werden, dass die Berechnungsunsicherheit bei längeren Wellenperioden und komplexerer Pflanzenmorphologie zunimmt. In Zukunft können diese Formeln helfen, geeignete Habitate für Röhrichte zu schaffen. Die Dissertation führt die verschiedenen Ergebnisse in einer Synthese zusammen, in der sie beantwortet, warum und wie hydrodynamische Belastungen die Habitate der Röhrichte im Ästuar beeinflussen. Des Weiteren wird diskutiert, welches Potenzial die Wellenreduktionsleistung durch Röhrichte besitzt, welches ihre limitierenden Faktoren sind und welcher Forschungsbedarf besteht, um die Ökosystemleistung in der Fläche zu berechnen und monetär zu bewerten.
