Biogeomorphic dynamics in the Turtmann glacier forefield, Switzerland

Abstract

Worldwide, glacier retreat enlarges glacier foreland areas, which are characterized by pronounced geomorphic and ecologic dynamics. Feedbacks between these dynamics are believed to drive glacier foreland landscape development, yet, they are only poorly understood. <br /> The aim of this thesis is to enhance the understanding of feedbacks between geomorphic processes and plants in glacier forelands, especially on lateral moraine slopes, through a hierarchical, scale-based biogeomorphic approach. Based on geomorphic and ecologic data from Turtmann glacier foreland (Switzerland), biogeomorphic feedbacks on different spatiotemporal scales are investigated and finally linked in a panarchy approach. <br /> On a small scale, the dwarf shrub Dryas octopetala L. is identified as ecosystem engineer. Through its adapted root- and above ground biomass traits, it changes mechanical, thermal, hydrological and chemical material and surface properties. Thereby, it influences occurring geomorphic processes, facilitates species establishment and advances soil development. <br /> On an intermediate scale, the relationship between geomorphic process frequency and magnitude and plant species resilience and resistance determines the biogeomorphic feedback window in which feedbacks can occur. In this window, ecosystem engineering by D. octopetala can produce turf-banked solifluction lobes (TBLs) as biogeomorphic structures. This process is described in a conceptual biogeomorphic model of TBL development. <br /> On a long timescale, paraglacial adjustment and vegetation succession interact in a biogeomorphic succession, during which biogeomorphic feedbacks promote the decrease of paraglacial processes and the increase of biotic interactions. On a large spatial scale, lateral moraine slopes are characterized by a mosaic of linked geomorphic and vegetation patches, in which biogeomorphic succession proceeds. Large magnitude geomorphic processes and ecosystem engineering create new patches and thereby change the patch mosaic during biogeomorphic patch dynamics.<br /> Based on these scale-related biogeomorphic feedbacks, lateral moraine slopes are identified as biogeomorphic ecosystems. Scale interactions in a panarchy of biogeomorphic feedback adaptive cycles create their structure and function.<br /> In summary, this thesis demonstrates for the first time how scale-related biogeomorphic feedbacks control lateral moraine and glacier foreland landscape development and highlights the applicability and importance of hierarchical, scale-based approaches for biogeomorphic research.

<strong>Biogeomorphologische Dynamiken im Vorfeld des Turtmanngletschers, Schweiz</strong><br /> Weltweit entstehen durch den zunehmenden Rückzug von Gletschern immer größere Gletschervorfelder, welche geomorphologisch und ökologisch hoch dynamisch sind. Unklar ist jedoch bislang, welche Rolle Wechselwirkungen zwischen paraglazialen geomorphologischen Prozessen und Vegetationsdynamik für die Entwicklung dieser Landschaften spielen. <br /> Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis von diesen biogeomorphologischen Rückkopplungen in Gletschervorfeldern, insbesondere aber auf Seitenmoränen, zu verbessern. Dazu wird ein hierarchischer, skalenbasierter Ansatz angewandt. Dieser betrachtet, basierend auf ökologischen und geomorphologischen Daten aus dem Turtmanngletschervorfeld (Wallis, Schweiz), biogeomorphologische Rückkopplungen auf verschiedenen Raum-Zeit-Skalen und führt sie in einem skalenübergreifenden Panarchie-Ansatz zusammen. <br /> Auf kleiner Raum- und kurzer Zeitskale zeigt diese Arbeit, dass die Zwergstrauch-Art Dryas octopetala L. ein Ökosystemingenieur ist, welcher durch seine angepassten Wurzel-, Blatt-, Zweig- und Stammeigenschaften die vorkommenden geomorphologischen Prozesse, die Ansiedlung von weiteren Arten und die Bodenentwicklung beeinflusst. <br /> Auf einer mittleren Raum- und Zeitskale bestimmt die Beziehung zwischen Frequenz und Magnitude von geomorphologischen Prozessen und Resilienz sowie Resistenz der vorkommenden Arten das Auftreten von Rückkopplungen in einem biogeomorphologischen Rückkopplungsfenster („biogeomorphic feedback window“). Ein konzeptionelles biogeomorphologisches Modell beschreibt wie diese Rückkopplungen zur Entstehung von gebundenen Solifluktionsloben beitragen. <br /> Auf einer langen Zeitskala interagieren paraglaziale Anpassung und Vegetationssukzession in einer biogeomorphologischen Sukzession. Während dieser führen biogeomorphologische Rückkopplungen zu einer Abnahme von geomorphologischen Prozessen und einer Zunahme von biotischen Interaktionen. In einer großen Raumskala zeigt der Seitenmoränenhang ein gekoppeltes geomorphologisches und Vegetationsmosaik, welches nahezu unabhängig vom Geländealter ist. Dieses Mosaik setzt sich aus sogenannten Flecken („patches”) zusammen, in welchen eine biogeomorphologische Sukzession abläuft. Veränderungen des Mosaiks können als biogeomorphologische Fleckendynamik („biogeomorphic patch dynamics“) beschrieben werden. <br /> Abschließend wird gezeigt, dass biogeomorphologische Rückkopplungen auf verschiedenen Skalen adaptiven Zyklen folgen, welche in einem Panarchie-Ansatz verbunden werden können. Interaktionen zwischen den Skalen bestimmen die Struktur und Funktion des biogeomorphologischen Ökosystems („biogeomorphic ecosystem“) Seitenmoräne. Somit belegt diese Arbeit zum ersten Mal, dass skalenbezogene biogeomorphologische Rückkopplungen wesentlich die Landschaftsentwicklung in Gletschervorfeldern beeinflussen.