Advertisement

Senckenbergiana maritima

, Volume 29, Issue 1–6, pp 77–85 | Cite as

Optical remote sensing of microphytobenthic biomass: a method to monitor tidal flat erodibility

  • J. H. M. Hakvoort
  • M. Heineke
  • K. Heymann
  • H. Kühl
  • R. Riethmüller
  • G. Witte
Monitoring

Abstract

A basis to monitor erosion shear stress of tidal flat surfaces by means of optical remote sensing has been developed. Erosion shear stress and corresponding bio-geochemical parameters of different tidal flats were measured during five years in the Sylt/Rømø Bight in Germany. A significant dependence between the erosion shear stress and the benthic diatom chlorophylla concentration in the uppermost 1 mm layer was found for the muddy areas. This dependence decreases with decreasing grain-size fraction <63 µm. For stations with low phytobenthic coverage a weak dependence of erosion shear stress on grain-size fraction <63 µm was found.

Using optical techniques two main classes can be distinguished from ground based measured high resolution reflectance spectra. The first class contains information on the sediments type i.e. grain-size fraction <63 µm. The second class corresponds to the phytobenthos which can be subdivided into benthic diatoms and other phytobenthic species. A significant correlation was found between reflectance spectra and grain-size fraction <63 µm and also between reflectance spectra and the benthic diatom chlorophylla concentration. So the erodibility of tidal flats can be mapped with optical remote sensing when the benthic chlorophylla concentration and sediment grain-size fraction <63 µm are used for estimation of die erosion shear stress. Optical measurements and erosion shear stress measurements and their relationships are discussed.

Key words

Optical remote sensing erosion shear stress benthic diatoms benthic chlorophylla fine grain-size 

Kurzfassung

In mehrjährigen Feldversuchen wurden Grundlagen für ein Monitoring kritischer Schubspannungen von Wattflächen mittels optischer Fernerkundung entwickelt. Die Messungen wurden in zwei Bereichen des Nordfrieschen Wattenmeeres, der Sylt-Rømø Bucht und der Meldorfer Bucht bei Büsum, durchgeführt. Für Schlickwatten zeigen die kritischen Schubspannungen eine deutliche Abhängigkeit von der Chloro-phylla Konzentration benthischer Diatomeen an der Oberfläche. Diese Abhängigkeit wird mit abnehmendem Feinkornanteil der Sedimente schwächer. An Stellen mit geringer Bedeckung durch Diatomeen zeigt sich eine schwache Abhängigkeit der kritischen Schubspannung vom Feinkornanteil <63 µm der obersten Sedimentschicht.

Reflexionsspektren von Wattoberflächen mit unterschiedlicher Bedeckung von Phytobenthos wurden mit hoher Wellenlängenauflösung aufgezeichnet. Zwei Klassen von Spektren lassen sich dabei unterscheiden. Die erste Klasse enthält als Information den Feinkornanteil <63 µm der Wattoberflächen für bewuchsfreie Bereiche. Die zweite Klasse ist dem Phytobenthos zugeordnet und kann anhand klarer Spektralsignaturen in Mikrophytobenthos und weitere Makrophyten unterteilt werden. Zwischen den Reflexionsspektren und dem Feinkornanteil sowie der Chlorophyll-a Konzentration des Mirkophytobenthos bestehen signifikante Korrelationen.

Eine Kartierung kritischer Schubspannungen aus optischer Fernerkundung über den Feinkornanteil und die Chlorophyll-a Konzentration des Mikrophytobenthos ist daher möglich. Die Messungen der kritischen Schubspannungen und Reflexionsspektren werden im einzelnen diskutiert sowie funktionale Zusammenhänge hergeleitet.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. Asmus, R. M. &Bauerfeind, E. (1994): The microphytobenthos of Königshafen — spatial and seasonal distribution on a sandy tidal flat. — Helgoländer Meeresunters.,48: 257–276.CrossRefGoogle Scholar
  2. Asmus, R. M. &Jensen, M. H. &Murphy, D. &Doerffer, R. (1997): Primäiproduktion von Mikrophytobenthos, Phytoplankton und jährlicher Biomasseertrag des Makrophytobenthos. — In:Gätje, C. &Reise, K. [Eds.]: Ökosystem Wattenmeer: Austausch-, Transport- und Stofmmwandlungsnrozesse: 367–391; Berlin (Springer).Google Scholar
  3. Bayerl, K.-A. &Austen, I. &Köster, R. &Pejrup, M. &Witte, G. (1997): Dynamik der Sedimente im Lister Tidebecken. — In:Gätje, C. &Reise, K. [Eds.]: Ökosystem Wattenmeer: Austausch-, Transport- und Stoffumwandlungsprozesse: 127–159; Berlin (Springer).Google Scholar
  4. Austen, I. (1994): The surficial sediments of Königshafen-variations over the past 50 years. — Helgoländer Meeresunters.,48: 163–171.CrossRefGoogle Scholar
  5. Coles, S. M. (1979): Benthic microalgal populations on intertidal sediments and their role as precursors to salt marsh development. — In:Jeffries, R. L. &Davy, A.J. [Eds.]: Ecological Processes in Coastal Environments: 25–42; Oxford (Blackwell).Google Scholar
  6. Cornelisse, J. M. &Mulder, H. P.J. &Williamson, H. &Witte, G. &Houwing, E. J. (1994): On the development of instruments for in situ erosion measurements. — 4th Nearshore and Estuarine Cohesive Sediment Transport Conference, Wallingford.Google Scholar
  7. de Jonge, V. N. &van Beusekom, J. E. E. (1995): Wind and tide induced resuspension of sediment and microphytobenthos from tidal flats in the Ems estuary. — Limnol. and Oceanogr.,40: 766–778.Google Scholar
  8. de Jonge, V. N. &van den Berg, J. (1987): Experiments on the Resuspension of Estuarine Sediments Containing Benthic Diatoms. — Estuarine, Coastal and Shelf Sci.,24: 725–740.CrossRefGoogle Scholar
  9. DIN 4188, Teil 1: Siebböden; Drahtsiebböden für Analysensiebe. — Deutsche Normen, Okt. 1977.Google Scholar
  10. DIN 18128: Baugrund, Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung des Glühverlusts. — Deutsche Normen, Nov. 1990.Google Scholar
  11. Figge, K. &Köster, R. &Thiel, H. R. &Wieland, P. (1980): Schlickuntersuchungen im Wattenmeer der deutschen Bucht (Zwischenbericht über ein Forschungsprojekt des KFKI). — Küste,35: 187–204.Google Scholar
  12. Flemming, B. W. &Nyandwi, N. (1994): Land Reclamation as a Cause of Fine-Grained Sediment Depletion in Backbarrier Tidal Flats (Southern North Sea). — Netherl. J. aquat. Ecol.,28 (3–4): 229–307.Google Scholar
  13. Führböter, A. (1983): Über Mirkobiologische Einflüsse auf den Erosionsbeginn bei Sandwatten. — Wasser und Boden,3: 106–116.Google Scholar
  14. Gast, R. &Köster, R. &Runte, K. H. (1984): Die Wattsedimente der Nördlichen und Mittleren Meldorfer Bucht. Untersuchung zur Frage der Sedimentverteilung und der Schlicksedimentation. — Küste,40: 165–257.Google Scholar
  15. Grant, J. &Bathman, U. V. &Mills, E. L. (1986): The interaction between benthic diatom films and sediment transport. — Estuarine, Coastal and Shelf Sci.,23: 225–238.CrossRefGoogle Scholar
  16. Higelke, B. (1997): Morphodynamik des Lister Tidebeckens. — In:Gätje, Ch. &Reise, K. [Eds.]: Ökosystem Wattenmeer. Austausch-, Transport- und Stoffumwandlungsprozesse: 103–126; Berlin (Springer).Google Scholar
  17. Holland, A. F. &Zingmark, R. G. &Dean, J. M. (1974): Quantitative evidence concerning the stabilization of sediments by marine benthic diatoms. — Mar. Biol.,27: 191–196.CrossRefGoogle Scholar
  18. Liu, D. &Wong, P. T. S. &Dutka, B. J. (1972): Determination of carbohydrate in lake sediment by a modified phenol-sulfuric acid method. — Water Res.,7: 741–746.CrossRefGoogle Scholar
  19. Kleeberg, U. (1990): Kartierung der Sedimentverteilung im Wattenmeer durch integrierte Asuwertung von Satellitendaten und Daten aus der Wattenmeerdatenbank der GKSS. — Diplom Thesis, Universität Trier.Google Scholar
  20. Paterson, D. M. (1994): Biological mediation of sediment erodibility: Ecology and physical dynamics. — Proc. Intercoh 1994; Oxford.Google Scholar
  21. Paterson, D. M. &Yallop, M. L. &George, C. (1994): Spatial Variability in the Sediment Erodibility on the Island of Texel. — InKrummbein, W et al. [Eds.]: Biostabilization of Sediments: 107–120; Oldenburg.Google Scholar
  22. Reise, K. &Lackschwitz, D. (1997): Benthos des Wattenmeeres zwischen Sylt und Rømø. — In:Gättje, Ch. &.Reise, K. [Eds.]: Ökosystem Wattenmeer. Austausch-, Transport- und Stoffumwandlungsprozesse: 55–64; Berlin (Springer).Google Scholar
  23. Reise, K. et al. (1996): SWAP Sylter Wattenmeer Austauschprozesse Projektsynthese. — 447; Tönning.Google Scholar
  24. Reise, K. et al. (1997): Austauschprozesse im Sylt-Rømø Wattenmeer — Zusammenschau und Ausblick. — In:Gättje, Ch. &Reise, K. [Eds.]: Ökosystem Wattenmeer. Austausch-, Transport- und Stoffumwandlungsprozesse: 529–558; Berlin (Springer).Google Scholar
  25. Schünemann, M. &Kühl, H. (1993): Experimental investigations of the erosional behaviour of naturally formed mud from the Elbe-estuary and the adjacent Wadden Sea. — In:Metha, A.J. [Ed.]: Coastal and Estuarine Stud.,42: 314–330.Google Scholar
  26. Williamson, H. J. &Ockenden, M. C. (1996): ISIS: An instrument for measuring erosion shear stressin situ. — Estuarine, Coastal and Shelf Sci.,42: 1–18.CrossRefGoogle Scholar
  27. Witte, G. &Kühl, H. (1996): Facilities for sedimentation and erosion measurements. — Arch. Hydrobiol. Spec. Iss. Advanc. Limnol.,47: 121–125Google Scholar
  28. Wright, S. W. &Mantoura, R. F. C. &Jeffrey, S. W. &Llewellyn, C. A. &Bjørnland, T. &Repeta, D. &Welschmeyer, N. (1991): Improved HPLC method for the analysis of chlorophylls and Carotinoids from marine phytoplankton. — Mar. Ecol. Progr. Ser.,77: 183–196.CrossRefGoogle Scholar
  29. Yalin, M. S. (1977): Mechanics of sediment transport. — Oxford (Pergamon Press).Google Scholar
  30. Yallop, M. &de Winder, B. &Paterson, D. M. &Stal, L. J. (1994): Comparative Structure, Primary Production and Biogenic Stabilization of Cohesive and Non-cohesive Marine Sediments Inhabited by Microphytobenthos. — Estuarine, Coastal and Shelf Sci.,39: 565–582.CrossRefGoogle Scholar
  31. Yates, M. G. &Jones, A. R. &McGrorty, S. &Goss-Custard, J. D. (1993): The Use of Satellite Imagery to Determine the Distribution of Intertidal Surface Sediments of The Wash, England. — Estuarine, Coastal and Shelf Sci.,36: 333–344.CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© E. Schweizerbart’sche Verlagsbuchhandlung 1998

Authors and Affiliations

  • J. H. M. Hakvoort
    • 1
  • M. Heineke
    • 1
  • K. Heymann
    • 1
  • H. Kühl
    • 1
  • R. Riethmüller
    • 1
  • G. Witte
    • 1
  1. 1.Institute of HydrophysicsGKSS Research Centre GeesthachtGeesthachtGermany

Personalised recommendations