Determination of biotic and abiotic factors influencing soil structure development in a riparian system based on observational and experimental approaches

Abstract

Flagogna reach endures various disturbances, mainly due to the natural dynamics of the river system. As described in Bertoldi et al., (2009), river flow with water levels of approximately 200 cm (as measured in the local Villuzza gauge), will cause an interaction between the river flow and the various vegetated patches within the reach. Further increase of water level (above 300 cm) will cause severe vegetation disturbance, most importantly erosion on fluvial island margins and the uprooting of mature trees which will later disperse within the reach serving as fluvial island nucleation points. We used both field measurements (dendrochronology) and historical sources (river stage records, oblique photographs, and aerial image analysis) to construct the historical changes of different age patches within the reach. We found that both approaches sufficiently support each other and help us to specifically identify the time of uprooted trees establishment and how they developed or eroded through certain temporal sequence. We also found that the aerial image analysis is a valuable tool and statistically correct in supporting our current analysis. We managed to use the various tools to understand the phases of island development within the reach. Our oldest sampling area, for example, showed the evolution of fluvial islands before the dispersal of uprooted trees, right after the establishment of uprooted trees, and then followed the evolution from pioneer, building and finally established island as its current state. We also found that historically, the dispersal of uprooted trees does not guarantee that these pioneer islands develop into established islands. Our data showed (Chapter 2) that various island age groups can take different rates of development constrained by the particular dynamics experienced within each of the different age groups. The permanence of fluvial islands in such dynamic system has been known to be relatively unstable, with islands usually incapable of sustaining more than a decadal temporal range (Wyrick and Klingeman, 2011). This study showed how at least in our period of study (~40 years) uprooted trees can be deposited and developed into established island and how the development of younger islands (building and pioneer islands) will mainly be constrained by the coming flood pulses and their magnitude. We understood from our system that the aggrading process and relative distance of vegetated island patches to the water table is an important factor which ensures a gradual evolution of fluvial islands. We also understood that disturbances like flood and flow pulses will be able to reset the development of fluvial islands. We found that as fluvial islands develop through time, so does the surface soil structure (Chapter 3). In fact our system reaches ~80% macroaggregate content within 40 years. We found that the rate of growth was constrained differently; such that in the short to medium term it was highly varied and mostly depended on the organic carbon content, fungal variables and also pH. With islands developing in the medium to long term, soil structure was mainly correlated with the accumulation of nitrogen and increases of fungal hyphae and plant roots displaying a two phase development of fluvial islands. Our findings emphasize the possible role of fungal variables, especially AMF, for contributing towards soil structure development. This implied the role of AMF in maintaining soil stability and to an extent, functioning as one of the protective components against soil erosion. Nevertheless, the analysis could not derive causality between these two components. Our greenhouse experiment was conducted to partially answer our question about the role of AMF in sustaining flow stress which would cause soil erosion. A simplified system of a hydraulic flume was used to identify the role of AMF in alleviating the effect of soil erosion due to flow shear stress. We found that at least in one of the test plants we used, did the addition of AMF inoculum decrease soil erosion. We found this result, despite the fact that AMF inoculum addition did not increase aboveground or belowground biomass of the plants. Interestingly, in contrast to previous findings, our results shown that root biomass can actually increase soil erosion. This finding is most likely related to the high correlation between the coarse root length with root biomass rather than the effect of finer root length. AMF extraradical hyphal length was able to decrease soil erosion (Chapter 4). This showed for the first time a direct role of AMF towards the alleviation of soil erosion due to concentrated flow. Synthesis In conducting field work, especially work that covers a huge variance due to the underlying decadal time scale, it is important to be able to compile information from various sources, confirmed through statistical approaches (Chapter 2). This would enable us to pin point the exact time when high impact processes change the system. In our case, the use of both historical and field data to study the vegetation change and island deposition time along our studied reach, helped us to understand the dynamics within the region with greater precision. This was later used to justify our sampling approaches (Chapter 3). We were able to strongly conclude, that in a dynamic system such as the Tagliamento River, soil structure can develop significantly through time. Various variables which contributed to the development showed a shift through time. In the short term, soil structure development was mainly driven by organic carbon and fungal variables. In the longer term, the role of organic carbon was decreased and total nitrogen and plant roots played a more significant role for soil structure development. Nevertheless, fungal variables contributed to the development throughout the whole period. This motivated us to conduct a greenhouse experiment accompanied with a direct soil erosion test, which showed that the role of fungal variables, especially through AMF extraradical hypae, is significant and important to aid soil sustainability. In fact, root variables can increase soil erosion when focusing on the role of coarse proportion of the biomass (Chapter 4). Future perspective The result of this dissertation requires further extensive study especially to properly disentangle the relative contributions of AMF and plant roots in sustaining against the effect of soil erosion due to flow shear stress. This can be done by conducting a relatively shorter greenhouse experiment to enable us to see the contribution of soil aggregation towards soil stability. This would enable us to see a clear correlation between soil erosion, soil structure, AMF hyphal length, and plant roots variables. Further measurements of root colonization would also be required for better understanding of AMF role within the process.

Der Einflussbereich des Flagogna (ein Teilabschnitt des Tagliamento-Flusses) muss vielen Störungen standhalten, die hauptsächlich auf die natürliche Dynamik des Flusssystems zurückzuführen sind. Flüsse, die mit einer Fließhöhe von 200 cm (gemessen in der lokalen Messstation von Villuzza) verlaufen, verursachen eine Interaktion zwischen der geführten Wassermenge und bewachsener Abschnitte innerhalb des Einflussbereiches (Bertoldi et al., 2009). Ein zusätzlicher Anstieg des Wasserlevels über 300 cm würde indes zu schweren Vegetationsstörungen führen. Zu den bedeutsamsten Folgen solcher Störereignisse gehören die Erosion an Rändern von fluvialen Inseln sowie das Entwurzeln ausgewachsener Bäume, die nach anfänglicher Dispersion im Einflussbereich zu Initiationskernen zukünftiger fluvialer Inseln werden können. Im Rahmen unserer Studien wurden sowohl Feldmessungen (Dendrochronologie) als auch historische Quellen (Flussabschnitt-spezifische Datensätze, Schrägbilder und Analysen von Luftaufnahmen) genutzt, um die Entstehung und die sukzessive Veränderungen der fluvialen Inseln im Einflussbereich des Flagogna zu rekonstruieren. Wir fanden heraus, dass die Ergebnisse, die durch beide Ansätze gewonnen wurden, zu gleichen Schlussfolgerungen führen und uns somit die zeitliche Einordnung der Etablierung von entwurzelten Bäumen als fluviale Inselinitiationskerne und deren Erosion oder Weiterentwicklung zu fluvialen Inseln ermöglichen. Zudem zeigte sich, dass die Analyse der historischen Luftaufnahmen ein wertvolles, statistisch auswertbares Werkzeug für unsere Analysen war. Die verschiedenen Methoden halfen uns die Phasen der Inselentwicklung innerhalb des Flagogna Einflussbereiches zu verstehen. Unser ältestes Beprobungsgebiet zeigte z.B. die Evolution der fluvialen Inseln vor und nach der Inkorporation von entwurzelten Bäumen sowie deren darauffolgende Entwicklung, Aufbau und finale Etablierung (im Zustand, wie wir sie heute vorfinden können). Wir konnten ebenfalls belegen, dass die Verbreitung von entwurzelten Bäumen kein Garant dafür ist, dass Pioniereinseln sich auch entwickeln und etablieren können. Wie unsere Daten zeigen, können verschiedene Altersklassen von Inseln unterschiedliche Entwicklungsraten aufweisen, die entsprechend der Kräfteeinwirkungen innerhalb der jeweiligen Altersklassen vorgegeben werden (Kapitel 2). Die Beständigkeit der fluvialen Inseln in solchen dynamischen Systemen ist relative kurz, da solche Inseln selten länger als eine Dekade überdauern (Wyrick and Klingeman, 2011). In unserer Studie konnten wir zeigen, dass im Zeitrahmen unserer Untersuchungen (ca. 40 Jahre) entwurzelte Bäume sich in Einflussbereichen ablagern und zu etablierten Inseln entwickeln können und das die Entwicklung junger, fluvialer Inseln (sich aufbauende und Pionierinseln) hauptsächlich durch eintretende Flutungspulse und deren Stärke begrenzt wird. Eine wichtige Erkenntnis unserer Studien war, dass der Prozess des Aggradierens sowie die relative Entfernung von bewachsenen Inselabschnitten zum Wasserspiegel entscheidende Faktoren sind, die die graduelle Evolution von fluvialen Inseln gewährleistet. Des Weiteren unterstrichen unsere Ergebnisse die Bedeutsamkeit von Störungen wie Überflutungen und Flutungspulsen für die Zurücksetzung des Entwicklungsstadiums von fluvialen Inseln. Hier zeigte sich, dass sich fluviale Inseln und im Speziellen ihre Bodenoberflächenstruktur über die Zeit hinweg entwickeln (Kapitel 3), wobei Bodenproben unseres Testsystem bis zu 80% Makroaggregatanteile innerhalb einer Zeitspanne von 40 Jahren erreichen konnten. Die Wachstumsrate von Inseln in unserem Testsystem wurde durch verschiedenste Faktoren beeinflusst. Für kurz- bis mittelfristige Zeiträume waren die Wachstumsraten höchst variabel und hauptsächlich durch den Anteil an organischem Kohlenstoff, Pilzhyphenlänge sowie Boden-pH beeinflusst. Für mittel- bis langfristige Zeiträume verbesserte sich die Bodenstruktur mit steigenden Gehalten von Bodenstickstoff, Pilzhyphen und Pflanzenwurzeln; dies spiegelt den zwei Phasen-Charakter der Entstehung von fluvialen Inseln wider. Unsere Ergebnisse unterstreichen zudem die potenziell bedeutsame Rolle von Pilzen, hier im Speziellen von arbuskulären Mykorrhizapilzen (AMF), für die Entwicklung von Bodenstruktur auf fluvialen Inseln. Somit sind AMF potenziell bedeutsam für den Erhalt von Bodenstabilität sowie dem Schutz vor Bodenerosion in unserem Testsystem; hierbei konnte jedoch keine Kausalität nachgewiesen werden. Die Durchführung unseres Gewächshausexperiments diente der Beantwortung der Frage, inwieweit AMF und Pflanzenwurzeln die Widerstandsfähigkeit von Boden gegenüber dem Stressfaktor Wasserfluss und damit einhergehender Bodenerosion verbessern können. Ein simplifiziertes Model eines Schwemmkanals wurde hierfür genutzt. Im Gegensatz zu früheren Untersuchungsergebnissen zeigen unsere Daten, dass eine höhere Wurzelbiomasse zu verstärkter Bodenerosion führen kann. Dies liegt wahrscheinlich am hohen Anteil der groben Wurzeln an der Gesamtwurzelbiomasse der Testpflanzen, die eine eher geringe Menge an Feinwurzeln aufwiesen. Für eine unserer getesteten Pflanzenarten senkte die Inokulation mit AMF die Bodenerosion, obwohl AMF weder über- noch unterirdischen Biomassenzuwachs bewirken konnte. Diese Ergebnisse stellen den ersten Nachweis für einen positiven Einflusses von AMF auf die Minimierung von Bodenerosion dar (Kapitel 4). Synthese Bei der Durchführung von Feldstudien, besonders bei Arbeiten die eine große Zeitspanne umfassen, ist es entscheidend Informationen aus verschiedensten Quellen zusammenzutragen und diese durch statistische Analysen zu untermauern (Kapitel 2). Dies ermöglicht die zeitliche Eingrenzung von Ereignissen mit hohem Einfluss auf Systemänderungen. In unserem Testsystem erwies sich der Einsatz von historischen und Felddaten als besonders wertvoll für die Studie von Vegetationsänderungen und Inselablagerungen entlang des Einflussbereiches des Flagogna und verbesserte unser Verständnis der dynamischen Prozesse in dieser Region. Diese Erkenntnisse bildeten später die Grundlage für unsere Probennahmen (Kapitel 3). Mit den gesmmelten Proben konnten wir nachweisen, dass sich in einem dynamischen System wie dem Fluss Tagliamento Bodenstruktur signifikant über die Zeit hinweg entwickeln kann. Für kurzfristige Zeiträume wird die Bodenstrukturentwicklung hauptsächlich durch organischen Kohlenstoff und Pilzhyphenlänge bestimmt. Für längerfristige Zeiträume wird die Rolle von organischem Kohlenstoff zunehmend bedeutungslos, während Bodenstickstoff, Pilzhyphenlänge sowie Pflanzenwurzeln an Einfluss gewinnen. Jedoch schien der Pilzfaktor eine beständige Rolle für die Bodenstrukturentwicklung für junge als auch alte Inseln zu spielen. Diese Erkenntnis führte zur Durchführung unseres Gewächshausexperimentes, bei dem Bodenerosion direkt gemessen wurde. Hier zeigte sich, dass der Pilzfaktor (hier im Speziellen die extraradikale Hyphenlänge von AMF) signifikant bedeutsam ist für die Bodenstabilität. Im Gegensatz dazu kann der Pflanzenfaktoren (hier im Speziellen die groben Wurzelanteile des gesamten Wurzelsystems) Bodenerosion verstärken (Kapitel 4). Zukunftsperspektiven Die Ergebnisse dieser Dissertation müssen durch zusätzliche intensive Studien erweitert werden, um den relativen Beitrag von AMF und Pflanzenwurzeln für die Widerstandskraft des Bodens gegen die Flussscherkräfte der Bodenerosion zu ermitteln. Dies könnte in einem relativ kurzen Gewächshausexperiment erreicht werden, bei dem die Bedeutung von Bodenaggregation für die Bodenstabilität bewertet werden sollte. Somit könnte eine Korrelation zwischen Bodenstruktur, Bodenerosion, AMF Hyphenlänge und Pflanzenfaktoren ermittelt werden. Die Erhebungen von Wurzelkolonisationsdaten würde zusätzlich das Verständnis für die Rolle von AMF innerhalb dieses Prozesses verbessern.