North Sea Salt Marshes and Their Response to Changing Storm-Climate Conditions Over the Last Century
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North Sea salt marshes and their response to changing storm-climate conditions over the last century DOROTHEA BUNZEL | Hamburg 2021 DISSERTATION zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften an der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Fachbereich Erdsystemwissenschaften der Universität Hamburg North Sea salt marshes and their response to changing storm-climate conditions over the last century Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften an der Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Fachbereich Erdsystemwissenschaften der Universität Hamburg vorgelegt von Dorothea Bunzel aus Pinneberg, Deutschland Hamburg, 2021 Als Dissertation angenommen am Fachbereich Erdsystemwissenschaften Tag des Vollzugs der Promotion: 28.04.2021 Gutachter/Gutachterinnen: Prof. Dr. Gerhard Schmiedl Prof. Dr. Christian Betzler Vorsitzender des Fachpromotionsausschusses Erdsystemwissenschaften: Prof. Dr. Dirk Gajewski Dekan der Fakultät MIN: Prof. Dr. Heinrich Graener wentieth-century acceleration in global and regional sea-level rise (SLR) poses an increasing risk for modern intertidal wetlands. While natural salt Tmarshes are basically able to adapt to gradually changing sea levels with vertical and lateral growth at rates similar or higher to that of SLR, it remains uncertain to what extent human-modified marshes can withstand rising sea levels, especially if SLR rates continue to accelerate in the future. Likewise, the regional storm-surge climate is expected to be critical for low-lying coasts under future SLR, illustrating the wide range of potential flood-hazard scenarios for coastal wetlands. Sedimentary salt-marsh archives from the south-eastern North Sea coast are ideally suited to better understand how coastal ecosystems have responded to changing storm-climate conditions in the past, as they have been subjected to different degrees by human activities over the last century but experienced the same influences from natural climate effects that should have left similar regional to super-regional imprints in the depositional systems. The four salt-marsh archives studied in this respect are located in North Frisia (Bay of Tümlau and Eider estuary) and Dithmarschen (Friedrichskoog and Kaiser-Wilhelm-Koog). For the evaluation of climate-related and non-climatic influences on the different depositional systems in the past, accurate age information is of critical importance but is challenging due to frequent sediment reworking by storm surges along the North Sea coast. To overcome this problem, chronostratigraphic control was obtained by combining different dating techniques, including radionuclides (210Pb, 137Cs, 241Am, and 14C) with trends of the industrial mercury (Hg) pollution history and XRF-based sedimentological inter-correlation for all four study sites. However, to better compare the regional contrasts with regard to the influences of human interventions, the focus was then on evaluating the sediment sequences from the un- grazed and more naturally developed salt marsh in the Bay of Tümlau and the grazed and frequently drained salt marsh in Friedrichskoog. Subsequently, the identification of lateral introduced reworked sediments within both stratified sediment sequences and evaluation of the corresponding storm-climate signals were built on different sedimentological and geochemical proxy records. These proxies provide information not only about the marine sedimentary organic matter supply itself (ln[Br/Cl] ratio) but also about the relative proportions of the marine versus terrestrial organic matter input (Br/Corg ratio) and the relative grain-size distribution (ln[Zr/Rb] ratio). Rapid drops in the ln(Br/Cl) data in association with coarser sand layers imply seasonal changes in the supply and deposition of organic matter onto the marsh surfaces at both study sites so that on a local scale, sediment deposited by storm surges in winter can be differentiated from sediment deposition during generally calm weather in spring to autumn. Furthermore, both the Br/Corg and ln(Zr/Rb) proxy records revealed an increasing trend for both considered study sites from the mid-20th century to 1990 CE. This trend resembles the intensified North Sea storm- climate activity, taking place in the second half of the 20th century, and thus reflects iv an increase in the marine influence and associated flooding frequency causing the progressing retreat of the seaward salt-marsh erosional cliffs. The environmental stress, presumably arising because of more frequent storm surges and associated flooding of the salt marshes, was evaluated considering abnormally grown tests of the agglutinated benthic foraminiferal salt-marsh indicator species Entzia macrescens that likewise showed highest numbers of test deformities at times of strengthening flooding. However, highest numbers occurred at the study site strongly altered by human interventions (Friedrichskoog), while comparatively less deformed tests were found at the more natural site (Bay of Tümlau), implying a higher susceptibility of the intensely human-modified salt marshes to changes in regional sea level and storm surge-induced sedimentation. Beyond that, both the ln(Zr/Rb) and ln(Br/Cl) ratios revealed periodicities on inter-decadal timescales (10–22 years), indicating a close linkage between sediment deposition and large-scale climate oscillations. However, the inter-decadal variability of the ln(Br/Cl) ratio was lacking at Friedrichskoog, suggesting that the more intense local human interventions at this site are masking the natural climate variability. The results obtained suggest that disturbances by various human activities seem to play a critical role in local sedimentation processes as well as in the susceptibility of salt marshes to environmental stress under rising sea level and storm-climate conditions. v ie im 20. Jahrhundert einsetzende Beschleunigung des globalen und regionalen Meeresspiegelanstiegs (sea-level rise, SLR) stellt ein Dzunehmendes Risiko für die Salzwiesen im Gezeitenbereich dar. Natürliche Salzwiesen sind grundsätzlich dazu in der Lage sich bis zu einem gewissen Grad an einen SLR anzupassen. Grund hierfür ist das vertikale Aufwachsen und die laterale Ausbreitung der Salzweisen mit ähnlichen oder höheren Raten als denen des aktuellen SLR. Es bleibt jedoch unklar, inwieweit anthropogen modifizierte Salzwiesen dem steigenden Meeresspiegel standhalten können. Diese Frage stellt sich insbesondere durch die Annahme, dass sich der SLR in Zukunft weiter beschleunigen wird. Hinzu kommt, dass das regionale Sturmflutniveau unter zukünftigen SLR-Bedingungen als kritisch einzuschätzen ist, was die große Bandbreite an möglichen Überflutungsgefährdungsszenarien für die niedrig gelegenen Küsten und deren Salzwiesen verdeutlicht. Um ein besseres Verständnis dafür zu erlangen, wie Salzwiesenökosysteme in der Vergangenheit auf sich ändernde Sturmflutbedingungen reagiert haben, eignen sich die sedimentären Archive der südöstlichen Nordseeküste in besonderer Weise. Diese waren im 20. Jahrhundert sowohl unterschiedlichen, vom Menschen verursachten Bewirtschaftungsmaßnahmen, als auch den Einflüssen natürlicher Klimaeffekte ausgesetzt, wobei letztere ähnliche Ablagerungsspuren in den Sedimentsequenzen hinterlassen haben sollten. Die in diesem Zusammenhang untersuchten Salzwiesenarchive erstrecken sich über Nordfriesland (Tümlauer Bucht und Grüne Insel Eiderwatt) und Dithmarschen (Friedrichskoog und Kaiser-Wilhelm-Koog). Für die Beurteilung klimatischer und nichtklimatischer Einflüsse auf die verschiedenen Ablagerungssysteme sind genaue Altersangaben von entscheidender Bedeutung. Dies stellt sich im Bereich der Nordseeküste aufgrund der durch Sturmfluten häufig aufgearbeiteten Sedimente als besondere Herausforderung dar. Daher wurden die Aktivitäten von Radionukliden (210Pb, 137Cs, 241Am und 14C) mit Veränderungen in der industriellen Quecksilberbelastung (Hg) kombiniert und mittels XRF-basierter sedimentologischer Interkorrelation eine regionale Chronostratigraphie für alle vier Untersuchungsstandorte entwickelt. Um die größtmöglichen regionalen Kontraste hinsichtlich menschlicher Eingriffe vergleichen zu können, lag der Fokus der anschließenden Auswertungen primär auf den Salzwiesen in der Tümlauer Bucht (unbeweidet, vergleichsweise natürlich entwickelt) und von Friedrichskoog (beweidet, häufig entwässert). Die Identifikation von lateral eingeschalteten, aufgearbeiteten Sedimentschichten innerhalb der Sequenzen der Tümlauer Bucht und von Friedrichskoog sowie die Evaluierung der Sturmflutsignale erfolgte mithilfe sedimentologischer und geochemischer Proxydatensätze. Dazu gehören die mittlere Korngröße sowie die ln(Br/Cl)-, Br/Corg- und ln(Zr/Rb)-Verhältnisse, da diese Proxys Informationen über den sedimentären organischen Materialeintrag selbst, aber auch über die relativen Anteile des marinen vi gegenüber des terrestrischen organischen Materialeintrags sowie die relative Korngrößenverteilung liefern. Rapide Rückgänge in den ln(Br/Cl)-Verhältnissen, die zeitgleich mit gröberen Sandschichten auftreten, deuten auf saisonale Veränderungen in der Zufuhr und Ablagerung von organischem Material auf den Salzwiesenoberflächen hin. Somit kann auf lokaler Ebene zwischen Sedimenten, die durch Sturmfluten im Winter abgelagert wurden und Ablagerungen bei allgemein ruhigem Wetter im Frühjahr bis Herbst unterschieden werden. Darüber hinaus zeigen die Br/Corg- und ln(Zr/Rb)- Verhältnisse an beiden Untersuchungsstandorten einen ansteigenden Trend