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

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.

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.