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Ufersicherung durch natürlichen Pflanzenbewuchs - Erkenntnisse von der Tideelbe

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Welchen Beitrag können Röhrichte und andere Pflanzen in tidebeeinflussten Flüssen leisten, um Watt und Ufer vor Erosion durch hydrodynamische Belastung (z. B. wind-und schiffinduzierte Wellen) zu schützen? Was sind ihre Belastungsgrenzwerte? Welche Vorteile und welche Grenzen hat der Uferschutz durch natürlichen Bewuchs? Die Antworten auf diese Fragen werden immer dringlicher vor dem Hintergrund der EG-Wasserrahmenrichtlinie und des Bundeswasserstraßengesetzes und der daraus resultierenden Zielerreichung der Bewirtschaftungspläne, Maßnahmenprogramme und Uferunterhaltung. Seit 2010 laufen verschiedene von der BfG initiierte Projekte in Kooperation z. B. mit der Technischen Universität Braunschweig und der Universität Antwerpen auf den Watt-und Uferflächen der Tideelbe, die sich mit diesen Fragestellungen befassen. Durch die Projekte und damit verknüpfte Doktorarbeiten wissen wir nun, welche hydrodynamischen Belastungsgrößen nicht nur im Sommer, sondern auch über das Jahr hinweg auf naturnahe Ufer wirken. Wir konnten die Strömungs-und Wellenreduktionsleistung der Vegetation über das Jahr quantifizieren und konnten nachweisen, dass Röhrichte die Fähigkeit besitzen, sich in ihrer Morphologie auf den Wattflächen den hydrodynamischen Belastungen anzupassen. Wo ihre wachstumsbedingten Grenzen zur Anpassung an hydrodynamische Belastungen liegen, wird mit einem ingenieurbiologischen In-situ-Experiment momentan untersucht. Hier wird der direkte Vergleich hergestellt zwischen wellenexponierten Pflanzenhabitaten und Habitaten, die durch Faschinen geschützt sind.
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Ufersicherung durch natürlichen Pflanzenbewuchs –
Erkenntnisse von der Tideelbe
Dr. rer. nat. M. Heuner, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz
M. Sc. K. Schoutens, Universität, Antwerpen
Dr. rer. nat. J. Carus, Technische Universität, Braunschweig
Prof. Dr. rer. nat. B. Schröder, Technische Universität, Braunschweig
Prof. Dr. rer. nat. S. Temmerman, Universität, Antwerpen
Welchen Beitrag können Röhrichte und andere Pflanzen in tidebeeinflussten Flüssen
leisten, um Watt und Ufer vor Erosion durch hydrodynamische Belastung (z. B. wind- und
schiffinduzierte Wellen) zu schützen? Was sind ihre Belastungsgrenzwerte? Welche
Vorteile und welche Grenzen hat der Uferschutz durch natürlichen Bewuchs? Die
Antworten auf diese Fragen werden immer dringlicher vor dem Hintergrund der EG-
Wasserrahmenrichtlinie und des Bundeswasserstraßengesetzes und der daraus
resultierenden Zielerreichung der Bewirtschaftungspläne, Maßnahmenprogramme und
Uferunterhaltung.
Seit 2010 laufen verschiedene von der BfG initiierte Projekte in Kooperation z. B. mit der
Technischen Universität Braunschweig und der Universität Antwerpen auf den Watt- und
Uferflächen der Tideelbe, die sich mit diesen Fragestellungen befassen.
Durch die Projekte und damit verknüpfte Doktorarbeiten wissen wir nun, welche
hydrodynamischen Belastungsgrößen nicht nur im Sommer, sondern auch über das Jahr
hinweg auf naturnahe Ufer wirken. Wir konnten die Strömungs- und
Wellenreduktionsleistung der Vegetation über das Jahr quantifizieren und konnten
nachweisen, dass Röhrichte die Fähigkeit besitzen, sich in ihrer Morphologie auf den
Wattflächen den hydrodynamischen Belastungen anzupassen. Wo ihre
wachstumsbedingten Grenzen zur Anpassung an hydrodynamische Belastungen liegen,
wird mit einem ingenieurbiologischen In-situ-Experiment momentan untersucht. Hier wird
der direkte Vergleich hergestellt zwischen wellenexponierten Pflanzenhabitaten und
Habitaten, die durch Faschinen geschützt sind.
1. Einleitung
Die Ufer der Bundeswasserstraßen bilden nicht nur die Grenze der Wasserfläche zum
Land (Abb. 1). Sie schützen auch das Landesinnere vor Extremereignissen wie
Hochwasser oder Sturmfluten durch Dissipation der Strömungs- und Wellenenergie. Diese
für den Menschen nützliche Schutzleistung ist vor allem abhängig von der Ufer- bzw.
Vorlandbreite (Auen- oder Marschbreite), dem hydrodynamischen Angriff und der
Ufertopographie. Die Auen und Marschen besitzen nährstoffreiche Böden. Durch die
Eindeichung der letzten Jahrhunderte konnten diese vom Menschen, ohne Einschränkung
durch die oben genannten Extremereignisse, landwirtschaftlich intensiv genutzt und
besiedelt werden. Dadurch wurden die Vorländer deutlich in ihrer Breite reduziert. Die
Flüsse und Ästuare bieten als Ökosystemleistung eine Verkehrsinfrastruktur der
Schifffahrt, von der die Wirtschaft immer mehr profitierte. Durch Flussbegradigungen und
-vertiefungen wurde die Effizienz der Infrastruktur gesteigert. Durch diese Baumaßnahmen
und infolge durch die häufigen Schiffswellen sind die Ufer bis heute höheren
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mechanischen Belastungen ausgesetzt. Um größere Erosion zu vermeiden und die
Vorländer und Deiche zu schützen, wurden viele Uferabschnitte entlang von
Bundeswasserstraßen kostenaufwändig mit hartem Uferverbau wie z.B. Steinschüttungen
gesichert (Abb. 1).

Abb. 1 Beispiele von Ufern an der Tideelbe. Oben links: versteintes Ufer, rechts oben : erosives
versteintes Ufer, unten links: naturnahes Ufer mit sichtbarer MThw-Linie (niederliegende Vegetation),
rechts unten: naturnahes Ufer mit Abbruchkante. Fotos: A. Sundermeier (oben), G. Grenzdörffer
(unten links), E. Fuchs (unten rechts)
Die EG-Wasserrahmenrichtlinie (2000/60/EG) fordert auch für die Wasserkörper der
Ästuare bis spätestens 2027 (d.h. zum Ende des dritten Bewirtschaftungszeitraums),
mindestens ein gutes ökologisches Potenzial erreicht zu haben. Im Rahmen dieser
Zielumsetzung trat am 01. März 2010 das novellierte Wasserhaushaltsgesetz (WHG) in
Kraft. Neben ihrer hoheitlichen Aufgabe der verkehrlichen Unterhaltung (nach § 11
Wasserstraßengesetz) erlangte dadurch die Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung
(WSV) als Eigentümerin der Bundeswasserstraßen auch die Aufgabe und Verantwortung
der wasserwirtschaftlichen Unterhaltung (BÄRTHEL et al. 2010). Hierzu zählt u.a. auch die
Förderung der ökologischen Funktionsfähigkeit des Gewässers sowie die
Berücksichtigung des Landschaftsbildes und des Erholungswertes (§ 39 WHG). Die
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wasserwirtschaftlichen Unterhaltungsmaßnahmen der WSV obliegen somit den definierten
Bewirtschaftungszielen (§ 27 ff WHG) und müssen den Maßnahmenprogrammen der
Länder entsprechen (§ 39 WHG Abs. 2). Des Weiteren liegen von den Ländern Integrierte
Bewirtschaftungspläne zur Umsetzung der Natura 2000-Erhaltungsziele vor.
(ARBEITSGRUPPE ELBEÄSTUAR 2011; NLWKN & SUBV 2012; NLWKN & MINISTERIE VAN
ECONOMISCHE ZAKEN 2016). Der Lebensraumtyp „Ästuarien“ besitzt nach FFH-Richtlinie
wesentliche ökologische Bedeutung (92/43/EEC).
Um den Wasserkörper nach WRRL zu bewerten, werden verschiedene biologische und
unterstützend zu diesen auch hydromorphologische, chemische und physikalisch-
chemische Qualitätskomponenten für die Übergangsgewässer, zu den die Ästuare
gehören, herangezogen. Die Anforderungen an die Bewertung sind in der
Oberflächenwasserverordnung (OGewV) konkretisiert. Die Bewertung der Ufer, die einen
Teil des Wasserkörpers darstellen, erfolgt v.a. über die Komponenten der
naturraumtypischen Makrophyten bzw. Angiospermen (STILLER 2010; STILLER 2011). Die
Bewertung dieser biologischen Komponente wird ergänzt durch die Komponenten der
Seegangsbelastung sowie der Menge, Struktur und des Substrat des Gewässerbodens
(OGewV, Anlage 3, vgl. WRRL 2000/60/EC, Anhang V). Die Struktur der Ufer ist Teil der
unterstützenden Qualitätskomponente „Menge, Struktur und des Substrats des
Gewässerbodens“ zuzuordnen. Die Qualitätskomponenten der Ufer besitzen an den
wenigsten Uferabschnitten ein gutes oder besseres Potenzial.
Das Bewirtschaftungsziel „gutes ökologisches Potenzial“ des erheblich veränderten
Wasserkörpers kann nur durch wesentliche hydromorphologische Veränderungen im
Sinne einer Verbesserung erreicht werden. An Ufern könnte dieses erreicht werden, indem
Abschnitte entsteint würden. So bekämen sie die Möglichkeit, sich auf einer zur Verfügung
gestellten Fläche morphologisch und ökologisch natürlich oder naturnah zu entwickeln.
Die regulierenden Ökosystemleistungen, z.B. die Energiedissipation der Hydrodynamik,
der Erosionsschutz durch ober- und unterirdische Biomasse (vgl. MÖLLER et al. 2014)
sowie das Auskämmen des Sediments und der Schwebstoffe aus der Wassersäule durch
Stängel und Blätter, würden gestärkt und, bei genügender Sedimentverfügbarkeit, ein
Mitwachsen der Watten in Zeiten des Meeresspiegelanstiegs ermöglicht (TEMMERMAN et
al. 2013). Diese Leistung als Anpassung auf Folgen des Klimawandels kann ein harter
Uferverbau an steilen Ufern nicht oder als dessen Ersatz ingenieurbiologische Bauweisen
nur bedingt erfüllen.
Auch wenn viele wertvolle Erfahrungen aus Zeiten der Landgewinnung und des
biologischen Wasserbaus vorliegen (SCHOEN 1983), bleibt bis heute unklar, welche
ökosystembasierten Schutzleistungen die schmalen Ufer weiterhin besitzen und welche
genauen Rahmenbedingungen für sie vorliegen müssen. Unter welchen Bedingungen sind
die Grenzen der ökosystembasierten Schutzleistung erreicht? Welche Möglichkeiten und
innovativen Maßnahmen existieren, um durch indirekten Uferschutz die ökosystembasierte
Schutzleistung vor Erosion wieder herzustellen?
Zur Beantwortung dieser allgemeinen Fragen, liefern Doktorarbeiten aus dem KLIWAS-
Projekt „Ästuarvegetation“ (CARUS 2017) und dem Projekt „tidal bank science and
services“ (tibass) (vgl. SCHMIDT-WYGASCH & HEUNER 2018) eine an fünf Ufern der Tideelbe
erhobene Datengrundlage (Abb. 2). Im Folgenden beschreiben wir die topographischen
Beschaffenheit der untersuchten Ufer, die dort wirkenden hydrodynamischen
Belastungsgrößen über das Jahr hinweg, die Strömungs- und Wellenreduktionsleistung
der Vegetation sowie die Fähigkeit der Röhrichte, sich in ihrer Morphologie den
hydrodynamischen Belastungen auf den Wattflächen anzupassen. Wo hier die Grenzen
ihres Wachstum sind, wird zurzeit mit einem Transplantationsexperiment untersucht.
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2. Die topographische Beschaffenheit der untersuchten Ufer
Abb. 2 zeigt die Lage der untersuchten Ufer und deren Uferformen. Die Standorte Balje
und Hollerwettern sind konvexe Ufer, an denen die Vegetationsgrenze deutlich unter
MThw liegt. Das Ufer in Krautsand hat in der oberen Watthälfte eine eher konkave Form,
d.h. die Wattfläche ist im Querschnitt nach innen gewölbt. Die Vegetationskante schließt
hier mit der MThw-Linie ab.
Abb. 2: Lage der untersuchten Ufer und deren Uferformen im Querschnitt sowie die Lage der
Vegetationskante zur MThw-Linie (mittlere Tidehochwasserlinie) und MTnw-Linie (mittlere
Tideniedrigwasserlinie)
3. Hydrodynamische Belastungsgrößen über das Jahr
Im Projekt tibass wurden Wellenhöhen (Abb. 3) an drei Uferstandorten über die Jahre
2016 und 2017 kontinuierlich gemessen. In Hollerwettern wurden zusätzlich die
Strömungsgeschwindigkeiten aufgenommen.
Im Durchschnitt erfahren diese naturnahen Ufer eine Wellenbelastung von 10 cm Wellen
und Strömungsgeschwindigkeiten von 0,01 bis 0,06 m/s (Tab 1).
Abb. 3: Die im Feld installierten P-Log3021-MMC Drucksensoren von Driesen & Kern im
Frühjahr/Herbst (rechts), Sommer (Mitte) und Winter (links) zur kontinuierlich Messung der
Wellenhöhen, Fotos: K. Schoutens
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In den Wintermonaten können jedoch an diesen Ufern auch maximale Belastungen von
über 60 cm Wellenhöhe und Strömungsgeschwindigkeiten von über 0,2 m/s auftreten, wie
z. B. in Krautsand gemessen. Messungen der relativen Geländehöhe über das Jahr
zeigen bei solchen Extrembedingungen in Krautsand Erosion auf der freien Wattfläche,
während in der Vegetation das Sediment von den Wurzeln noch gehalten werden kann
(SCHOUTENS et al. 2019).
Tab. 1: Hydrodynamische Belastungsgrößen an der Vegetationskante der drei untersuchten Ufer im
Projekt tibass über die Jahre 2016 und 2017. Kontinuierlich gemessene Wellenhöhen (P-Log3021-
MMC Drucksensoren von Driesen & Kern, 8 Hz Messfrequenz) und Strömungsgeschwindigkeiten
(Nortek Vektor, 4 Hz Messfrequenz, 2 min. lang, Burst Interval 5 min.) am Ufer von Hollerwettern
4. Die Leistung der Vegetation, hydrodynamische Belastung zu reduzieren
Die Vegetation auf den Wattflächen leistet einen deutlichen Beitrag zur Reduktion von
sowohl Strömung (Abb. 4) als auch Wellenhöhen (Abb. 5). Abb. 4 zeigt, dass der Prozess
der Strömungsreduktion v.a. in den ersten 10 bis 15 m des wasserseitigen Bewuchses der
Vegetation stattfindet. Die Längsströmung erfährt auch außerhalb der Vegetationsperiode
(Februar, April) eine deutlichere Reduktion als die Querströmung, obwohl diese meist
geringere Geschwindigkeiten aufweist als die Längsströmung (Tab. 1). Das könnte daran
liegen, dass die Längsströmung an der Messstelle einem viel längeren
Vegetationsbestand ausgesetzt ist als die Querströmung (CARUS et al. 2016).
Signifikante
Wellenhöhe[m]
99.Quantil
(Maximum)
75.Quantil50.Quantil
(Median)
Arithmetisches
Mittel
Standard
abweichung
Hollerwettern
Frühjahr2016 0.25 0.13 0.09 0.10 0. 05
Sommer2016 0. 23 0.12 0.09 0.10 0.05
Herb st2016 0.28 0.12 0.08 0.09 0. 05
Winter2016/2017 0.46 0.19 0.13 0.15 0.10
Krautsand
Frühjahr2016 0.18 0.12 0.09 0.10 0. 04
Sommer2016 0. 17 0.11 0.09 0.09 0.03
Herb st2016 0.15 0.11 0.08 0.09 0. 03
Winter2016/2017 0.62 0.18 0.10 0.15 0.13
Balje
Frühjahr2016 0.30 0.13 0.08 0.10 0. 06
Sommer2016 0. 29 0.14 0.10 0.11 0.06
Herb st2016 0.24 0.11 0.07 0.09 0. 05
Winter2016/2017 0.38 0.17 0.12 0.14 0.08
Längströmung[m/s]
Hollerwettern
Sommer2016 0. 07 0.01 0.01 0.01 0.01
Winter2016/2017 0.23 0.08 0.04 0.06 0.05
Frühjahr2017 0.18 0.09 0.05 0.06 0. 04
Querströmung[m/s]
Hollerwettern
Sommer2016 0. 06 0.02 0.01 0.01 0.01
Winter2016/2017 0.07 0.02 0.01 0.02 0.02
Frühjahr2017 0.10 0.02 0.01 0.02 0. 02
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Abb. 4: Normalisierte mittlere Strömungsgeschwindigkeiten (links: Längsströmung, rechts:
Querströmung), oben: die gemessene Strömungsreduktion im Projekt KLIWAS 3.09 (C
ARUS
et al.
2016) im April (weiß) und August 2013 (schwarz). Unten: die gemessene Strömungsreduktion im
Projekt tibass (S
CHOUTENS
et al. 2019) im Februar und August 2016
Die Reduktion der Wellenhöhe in den ersten 10 m der Vegetation ist in der Pionierzone im
Winter jedoch deutlich geringer als im Sommer (Abb. 5 und S
CHOUTENS
et al. 2018). Das
Schilf hingegen, welches häufig höher (im Bereich der MThw-Linie) wächst, behält seine
Wellenreduktionsleistung im Winter, da seine oberirdische Biomasse größtenteils
bestehen bleibt.
Abb. 5: Vergleich der Wellenreduktion durch
Röhrichte im Sommer und Winter. Die Distanz
der Messsensoren beträgt 10 m. Messzeitraum:
Pionierzone aus Strandsimse: Sommer 2016 und
2017, Winter 2015/2016, Schilfröhricht: Winter
2017/2018
5. Anpassung der Pflanzenmorphologie an die hydrodynamische Belastung
Die Meer-Strandsimse, eine der Röhrichtarten, die direkt an der Vegetationskante an
naturnahen Ufern der Tideelbe wächst, zeigt zwei verschiedene Wuchsformen auf (C
ARUS
et al. 2016): dicke Stängel direkt an der Vegetationskante und dünnere 15 m weiter im
Vegetationsbestand (Abb. 5). Biomechanische Untersuchungen zeigten, dass die Pflanzen
an der Vegetationskante stabiler sind als die innerhalb des Vegetationsbestandes. Hier
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besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Strömungsgeschwindigkeit und der
Stabilität der Meer-Strandsimsen am Rand der Vegetation (CARUS & SCHRÖDER 2013).
Ein ähnlicher Zusammenhang konnte auch auf Grundlage von Wellenhöhen für die
Strandsimse an der Schelde nachgewiesen werden (SILINSKI et al. 2017).
Abb. 5: Unterschiedliche Stängeldurchmesser der Meer-Strandsimse (links: direkt an der
Vegetationskante, rechts: im Vegetationsbestand. Mitte: Messungen des Stängeldurchmessers und
der Maximalkraft vor Bruchversagen, n= 96, Fotos: J. Carus
6. Ingenieurbiologisches In-situ-Experiment auf der freien Wattfläche
Mit dem zweijährigen ingenieurbiologischen In-situ-Experiment möchte das Projektteam
die Frage beantworten, welchen Einfluss die Wellen auf das Wachstum und die
Etablierung der Röhrichte nehmen. Bei dem Experiment werden auf drei
unterschiedlichen Geländehöhen wellenexponierte Röhrichte mit durch Faschinen
wellengeschützten Röhrichten in ihrem Wachstum und in ihrer Entwicklung verglichen
(siehe Abb. 6).
Abb. 6: Die zwei niedrigsten Einheiten des Experiments bei 0.4 normalisierter Geländehöhe
(0=MTnw, 1=MThw). Wellenexponierte Röhrichte sind im Vordergrund und durch Faschinen
wellengeschützte Röhrichte im Hintergrund zu sehen. Foto: K. Schoutens
Neben der Pflanzenhöhe werden die eingehenden Wellen (kontinuierlich, 8 Hz), die
Strömungen (kontinuierlich, 4 Hz) und die Sedimentdynamik (täglich) gemessen. Das
Experiment läuft bis Ende der Vegetationsperiode 2019. Zwischenergebnisse werden
zurzeit ausgewertet.
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7. Zusammenfassung und Ausblick
Für naturnahe, von Sedimentation geprägte, Ufer wissen wir nun, welche
hydrodynamischen Belastungsgrößen über das Jahr hinweg wirken (vgl. PETERS et al.
2016 für schiffsinduzierte Belastungen im Sommer). Wir können für diese Ufer die
Strömungs- und Wellenreduktionsleistung der Vegetation über das Jahr quantifizieren und
konnten nachweisen, dass Röhrichte die Fähigkeit besitzen, sich in ihrer Morphologie auf
den Wattflächen den hydrodynamischen Belastungen anzupassen. Wo hier die Grenzen
ihres Wachstum sind, wird derzeit mit einem Transplantationsexperiment untersucht.
Die Betrachtung der topographischen Uferbeschaffenheit ist wichtig, um die
unterschiedlichen hydrodynamischen Belastungen und die damit einhergehenden
Sedimentations- und Erosionsprozesse am Ufer zu verstehen (SCHRÖDER et al. 2018).
Zum Beispiel scheint zunächst die maximale Wellenhöhe im Winter an der hoch
gelegenen Vegetationskante von Krautsand im Vergleich zu den anderen tibass-
Standorten verwunderlich (Tab. 1). Wird die Ufertopographie in der Interpretation
miteinbezogen, ist die konkave Uferform häufig ein Beleg und Resultat einer höheren
Wellenenergie (vgl. BEARMAN et al. 2010). Auch können Sedimentations- und
Erosionsprozesse am Ufer im Gleichgewicht stehen, wo sich ein Pionierröhricht vor einer
alten Abbruchkante ausgebreitet hat (siehe Abb. 7).
Offen bleibt, welche hydrodynamischen Belastungen an kontinuierlich erodierten Ufern
über das Jahr wirken und welche ingenieurbiologischen Maßnahmen sich eignen bzw.
welche Bedingungen die Standortfaktoren aufweisen müssen, um eine fortschreitende
Erosion an schiffsbelasteten Ufern zu stoppen.
Die dynamischen Lebensräume der
Ästuare versucht der Mensch mit Millionen
Euro zu beherrschen und doch scheitert er
häufig. Das aufwendige Sediment-
management der Ästuare und der
Klimawandel machen dem Menschen
dieses bewusst. Das angestrebte Ziel für
2027 ein gutes ökologisches Potenzial für
die Ästuare zu erreichen, kann nicht nur als
ein weiteres lästiges Regulativ, sondern
auch als Chance für die Gesellschaft und
ihren legitimen Nutzungen, also auch für
die Schifffahrt gesehen werden. Durch die
grenz- und behördenübergreifende Um-
setzung der WRRL können wir unter
Hinzunahme des lokalen Wissens neue
Wege beschreiten und Methoden
entwickeln, die für Mensch und Natur eine
nachhaltige kosteneffiziente Win-win-
Situation herbeiführen.
Abb. 7: Resilienz eines Ufers. Die Meer-
Strandsimse hat sich vor einer alten
Abbruchkante angesiedelt. Foto: M. Heuner
8. Danksagung
Wir danken dem WSA Hamburg und seinen Außenbezirken bei der Unterstützung der
Projekte und besonders für den Bau der Faschinen für das ingenieurbiologische
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Experiment. Des Weiteren danken wir von der Uni Oldenburg Tilla Schulte-Ostermann und
Vanessa Minden sowie Elmar Fuchs, BfG, für die inspirierende Zusammenarbeit im tibass-
Team und Volker Hüsing für die anregende Diskussion zur Umsetzung der WRRL.
9. Literatur
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Die Ufer der Tideelbe im Wechselspiel von Mensch und Umwelt. Vegetation, Boden und Ökosystemleistungen Ergebnisse der Forschungsprojekte ElbService und tibass sowie Zwischenergebnisse des Makrophytenmonitorings der Beweissicherung Tideelbe Inhalte: 1. Einführung 2. Vegetation 2.1. Schiffswellen an den Pflanzen 2.2. Die Wellen hinter den Pflanzen 2.3. Pflanzen in Augenhöhe 2.4. Pflanzen aus der Luft 2.5. Pflanzen im Experiment 2.6. Pflanzen als C-Speicher 3. Boden 3.1. Böden der Ufer 3.2. Böden der Ufer als Karte 3.3. Böden unter der Lupe 3.4. Böden unter Druck 3.5. Sedimentdynamik im Jahresverlauf 4. Ökosystemleistungen 4.1. Wie sehen die Menschen die Ufer? 4.2. Wieviel sind die Ufer den Menschen wert? 4.3. Wie werden Ufermaßnahmen ganzheitlich bewertet? 5. Zusammenfassung
Thesis
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Estuarine marshes are ecosystems that are situated at the transition zone between land and water and are thus controlled by physical and biological interactions. Marsh vegetation offers important ecosystem services by filtrating solid and dissolved substances from the water and providing habitat. By buffering a large part of the arriving flow velocity, attenuating wave energy and serving as erosion control for riverbanks, tidal marshes furthermore reduce the destructive effects of storm surges and storm waves and thus contribute to ecosystem-based shore protection. However, in many estuaries, extensive embankments, artificial bank protection, river dredging and agriculture threaten tidal marshes. Global warming might entail additional risks, such as changes in water levels, an increase of the tidal amplitude and a resulting shift of the salinity zones. This can affect the dynamics of the shore and foreland vegetation, and vegetation belts can be narrowed or fragmented. Against this background, it is crucial to gain a better understanding of the processes underlying the spatio temporal vegetation dynamics in brackish marshes. Furthermore, a better understanding of how plant-habitat relationships generate patterns in tidal marsh vegetation is vital to maintain ecosystem functions and assess the response of marshes to environmental change as well as the success of engineering and restoration projects. For this purpose, three research objectives were addressed within this thesis: (1) to explore the possibility of vegetation serving as self-adaptive shore protection by quantifying the reduction of current velocity in the vegetation belt and the morphologic plasticity of a brackish marsh pioneer, (2) to disentangle the roles of abiotic factors and interspecific competition on species distribution and stand characteristics in brackish marshes, and (3) to develop a mechanistic vegetation model that helps analysing the influence of habitat conditions on the spatio-temporal dynamic of tidal marsh vegetation. These aspects were investigated using a combination of field studies and statistical as well as process-based modelling. To explore the possibility of vegetation serving as self-adaptive coastal protection, in the first study, we measured current velocity with and without living vegetation, recorded ramet density and plant thickness during two growing periods at two locations in the Elbe estuary and assessed the adaptive value of a larger stem diameter of plants at locations with higher mechanical stress by biomechanical measurements. The results of this study show that under non-storm conditions, the vegetation belt of the marsh pioneer Bolboschoenus maritimus is able to buffer a large proportion of the flow velocity. We were furthermore able to show that morphological traits of plant species are adapted to hydrodynamic forces by demonstrating a positive correlation between ramet thickness and cross-shore current. In addition, our measurements revealed that thicker ramets growing at the front of the vegetation belt have a significantly higher stability than ramets inside the vegetation belt. This self-adaptive effect improves the ability of B. maritimus to grow and persist in the pioneer zone and could provide an adaptive value in habitats with high mechanical stress. In the second study, we assessed the distribution of the two marsh species and a set of stand characteristics, namely aboveground and belowground biomass, ramet density, ramet height and the percentage of flowering ramets. Furthermore, we collected information on several abiotic habitat factors to test their effect on plant growth and zonation with generalised linear models (GLMs). Our results demonstrate that flow velocity is the main factor controlling the distribution of Bolboschoenus maritimus and Phragmites australis. Additionally, inundation height and duration, as well as intraspecific competition affect distribution patterns. This study furthermore shows that cross-shore flow velocity does not only directly influence the distribution of the two marsh species, but also alters the plants’ occurrence relative to inun-dation height and duration. This suggests an effect of cross-shore flow velocity on their tolerance to inundation. The analysis of the measured stand characteristics revealed a negative effect of total flow velocity on all measured parameters of B. maritimus and thus confirmed our expectation that flow velocity is a decisive stressor which influences the growth of this species. To gain a better understanding of the processes and habitat factors influencing the spatio-temporal vegetation dynamics in brackish marshes, I built a spatially explicit, mechanistic model applying a pattern-oriented modelling approach. A sensitivity analysis of the para-meters of this dynamic habitat-macrophyte model HaMac suggests that rhizome growth is the key process for the lateral dynamics of brackish marshes. From the analysed habitat factors, P. australis patterns were mainly influenced by flow velocity. The competition with P. australis was of key importance for the belowground biomass of B. maritimus. Concerning vegetation dynamics, the model results emphasise that without the effect of flow velocity the B. maritimus vegetation belt would expand into the tidal flat at locations with present vegetation recession, suggesting that flow velocity is the main reason for vegetation recession at exposed locations. Overall, the results of this thesis demonstrate that brackish marsh vegetation considerably contributes to flow reduction under average flow conditions and can hence be a valuable component of shore-protection schemes. At the same time, the distribution, growth and expansion of tidal marsh vegetation is substantially influenced by flow. Altogether, this thesis provides a clear step forward in understanding plant-habitat interactions in tidal marshes. Future research should integrate studies of vertical marsh accretion with research on the factors that control the lateral position of marshes.
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By reducing current velocity, tidal marsh vegetation can diminish storm surges and storm waves. Conversely, currents often exert high mechanical stresses onto the plants and hence affect vegetation structure and plant characteristics. In our study, we aim at analysing this interaction from both angles. On the one hand, we quantify the reduction of current velocity by Bolboschoenus maritimus, and on the other hand, we identify functional traits of B. maritimus’ ramets along environmental gradients. Our results show that tidal marsh vegetation is able to buffer a large proportion of the flow velocity at currents under normal conditions. Cross-shore current velocity decreased with distance from the marsh edge and was reduced by more than 50% after 15 m of vegetation. We were furthermore able to show that plants growing at the marsh edge had a significantly larger diameter than plants from inside the vegetation. We found a positive correlation between plant thickness and cross-shore current which could provide an adaptive value in habitats with high mechanical stress. With the adapted morphology of plants growing at the highly exposed marsh edge, the entire vegetation belt is able to better resist the mechanical stress of high current velocities. This self-adaptive effect thus increases the ability of B. maritimus to grow and persist in the pioneer zone and may hence better contribute to ecosystem-based coastal protection by reducing current velocity.
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Coastal communities around the world face an increasing risk from flooding as a result of rising sea level, increasing storminess and land subsidence(1,2). Salt marshes can act as natural buffer zones, providing protection from waves during storms(3-7). However, the effectiveness of marshes in protecting the coastline during extreme events when water levels are at a maximum and waves are highest is poorly understood(8,9). Here we experimentally assess wave dissipation under storm surge conditions in a 300-metre-long wave flume tank that contains a transplanted section of natural salt marsh. We find that the presence of marsh vegetation causes considerable wave attenuation, even when water levels and waves are highest. From a comparison with experiments without vegetation, we estimate that up to 60% of observed wave reduction is attributed to vegetation. We also find that although waves progressively flatten and break vegetation stems and thereby reduce dissipation, the marsh substrate remained stable and resistant to surface erosion under all conditions. The effectiveness of storm wave dissipation and the resilience of tidal marshes even at extreme conditions suggest that salt marsh ecosystems can be a valuable component of coastal protection schemes.
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The risk of flood disasters is increasing for many coastal societies owing to global and regional changes in climate conditions, sea-level rise, land subsidence and sediment supply. At the same time, in many locations, conventional coastal engineering solutions such as sea walls are increasingly challenged by these changes and their maintenance may become unsustainable. We argue that flood protection by ecosystem creation and restoration can provide a more sustainable, cost-effective and ecologically sound alternative to conventional coastal engineering and that, in suitable locations, it should be implemented globally and on a large scale.
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Spatial trends in the shape of profiles of South San Francisco Bay (SSFB) tidal flats are examined using bathymetric and lidar data collected in 2004 and 2005. Eigenfunction analysis reveals a dominant mode of morphologic variability related to the degree of convexity or concavity in the cross-shore profile—indicative of (i) depositional, tidally dominant or (ii) erosional, wave impacted conditions. Two contrasting areas of characteristic shape—north or south of a constriction in estuary width located near the Dumbarton Bridge—are recognized. This pattern of increasing or decreasing convexity in the inner or outer estuary is correlated to spatial variability in external and internal environmental parameters, and observational results are found to be largely consistent with theoretical expectations. Tidal flat convexity in SSFB is observed to increase (in decreasing order of significance) in response to increased deposition, increased tidal range, decreased fetch length, decreased sediment grain size, and decreased tidal flat width.
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Nature‐based mitigation is increasingly proposed as a strategy to cope with global change and related risks for coastal flooding and erosion. Tidal marshes are known to provide shoreline protection as their aboveground biomass attenuates waves and their belowground biomass contributes to reducing erosion rates. The aim of this study was to quantify how effectively wave attenuation rates and erosion reduction rates are sustained throughout seasons in pioneer tidal marshes in the Elbe estuary (Germany). Changes in hydrodynamics and sediment dynamics were measured during 17 months along three sea‐to‐land transects of 50 m length. Simultaneously, changes in biomass of the monospecific pioneer vegetation (Bolboschoenus maritimus) were measured monthly. This study shows that wave and flow attenuation rates positively correlate with seasonal variations in aboveground biomass, that is: in summer, aboveground biomass and associated wave and flow attenuation rates are highest; while aboveground biomass is washed away during the first storms in autumn or winter, resulting in low wave and flow attenuation rates. Contrastingly, maximum incoming wave heights and flow velocities occur during winter, indicating that wave and flow attenuation is most needed then. However, hibernating root biomass assures low erosion rates in winter, especially at sandy sites. Although wave attenuation by pioneer marshes is highly variable throughout seasons and pioneer marshes alone are not so effective, they might facilitate the survival of higher marshes. Therefore, it is important to conserve or restore a gradual sea‐to‐land gradient from tidal flats, over pioneer marsh to high marsh to provide nature‐based shoreline protection.
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Tidal marsh vegetation is increasingly valued for its role in ecosystem-based coastal protection due to its wave dissipating capacity. As the efficiency of wave dissipation is known to depend on specific vegetation properties, we quantified how these morphological, biochemical, and biomechanical properties of tidal marsh vegetation are, in turn, affected by wave exposure. This was achieved by field measurements at two locations, with contrasting wave exposure, in the brackish part of the Scheldt Estuary (SW Netherlands), where Scirpus maritimus is the dominant pioneer species. Our results show that shoots from more wave-exposed conditions developed significantly shorter and thicker stems than the ones growing in more sheltered conditions. Furthermore, we show that the more exposed shoots are more flexible whereas the shoots growing in more sheltered conditions are stiffer. This may indicate plasticity in response to wave exposure following a stress-avoidance strategy. Increasing stiffness was shown to be related to enhanced biogenic silica and lignin contents of the shoot tissue. These properties might affect the wave-attenuating capacity of the marsh as stiff plants are known to mitigate waves more effectively than flexible ones. However, we also found higher shoot densities on the exposed site, which may partly explain why higher relative wave attenuation rates were found on the exposed site, despite the presence of more flexible individual shoots. This study highlights that the efficiency of wave attenuation by tidal marsh vegetation ultimately depends on mutual interactions between waves and plasticity in morphological, biochemical, and biomechanical plant properties. © 2017 Association for the Sciences of Limnology and Oceanography.
Des Weiteren danken wir von der Uni Oldenburg Tilla Schulte-Ostermann und
  • Experiment
Experiment. Des Weiteren danken wir von der Uni Oldenburg Tilla Schulte-Ostermann und
BfG, für die inspirierende Zusammenarbeit im tibassTeam und Volker Hüsing für die anregende Diskussion zur Umsetzung der WRRL
  • Vanessa Minden Sowie Elmar
  • Fuchs
Vanessa Minden sowie Elmar Fuchs, BfG, für die inspirierende Zusammenarbeit im tibassTeam und Volker Hüsing für die anregende Diskussion zur Umsetzung der WRRL.