Mapping sediment properties in the Mississippi River Delta

Filip Král

Master's thesis

Mapování vlastností sedimentů v deltě řeky Mississippi

Abstract:

Motivací pro tento výzkum byl zhoršující se stav mokřadů v pobřežní zóně států Louisiana, Mississippi a Texas ve Spojených státech amerických, projevující se ztrátou těchto biologicky rozmanitých ekosystémů s nezanedbatelným sociálním i ekonomickým významem. Ve třicátých letech 20. století byly dokončeny stabilní protipovodňové valy podél dolního toku řeky Mississippi. Tyto valy účinně zabraňují povodním v urbanizovaných územích, ale také znemožňují rozlévání jarní vody do mokřadních ekosystémů. Záplavy přitom zajišťovaly pravidelný přísun sedimentů a živin nutný pro fungování mokřadů. Při nedostatku sedimentů a živin ze sladké vody Mississippi nejsou mokřadní rostliny schopny produkovat dostatek biomasy pro vertikální růst mokřadů. Mokřady pak nedokážou kompenzovat relativní růst hladiny moře a dochází k jejich přeměně na otevřené vodní plochy. Tento proces je urychlován také zvyšující se koncentrací solí v důsledku zamezení přísunu sladké vody z řeky. Mezi stovky projektů usilujících o rekonstrukci pobřežní zóny v Louisianě patří i snahy o znovuzavedení sladké vody z Mississippi do mokřadních ekosystémů, čímž by se mělo obnovit vertikální přirůstání mokřadů. Cílem této práce bylo zmapovat vlastnosti sedimentů a popsat vztahy mezi nimi v oblasti Davis Pond (29°53´ N, 90°17´ W, 37.1 km2), která od roku 2002 přijímá vodu z Mississippi kanálem vedoucím z Davis Pond Freshwater Diversion Structure nedaleko New Orleans. Odběr a chemická analýza vzorků byla provedena v létě 2007 členy Department of Oceanography and Coastal Sciences, Louisiana State University. Ke statistickému vyhodnocení, které je hlavním předmětem této práce, tak byly k dispozici údaje o pH, vlhkosti, hustotě (BD), celkovém obsahu organické hmoty (OM), uhlíku (TC), dusíku (TN) a fosforu (TP) v hloubce 0–10 a 10–20 cm ze 139 lokalit. Pro odběr byl použit válec o průměru 7 cm. Jako hlavní aparát pro analýzu byly použity geostatistické metody. V hloubce 0–10 cm vykazovaly OM, TC a TN podobné prostorové rozložení s výraznou oblastí nízkých hodnot v severní části území a byly individuálně i vzájemně silně prostorově korelované. Všechny tyto tři vlastnosti byly rovněž silně prostorově korelované s BD. Velmi silný lineární vztah byl identifikován mezi BD a vlhkostí; mapa BD byla vytvořena metodou kriging a zmíněný lineární vztah byl využit pro mapování vlhkosti. Vztahy mezi OM, TC, TN, BD a vlhkostí byly vysvětleny rolí vegetace v mokřadech. Akumulace odumřelých rostlinných tkání jako organické hmoty, ve které je uhlík i dusík hojně zastoupen, vede ke vzniku substrátu o nízké hustotě a následně vysoké vlhkosti. Model variogramu pro TC, TN, OM byl exponenciální s parametrem range přibližně 3300 m, range pro BD byl přibližně 2700 m. Jak TP, tak pH byly slabě prostorově autokorelované a vztah s jakoukoli jinou vlastností byl slabý. TP byl vysoce variabilní již při vzdálenostech rovných minimálnímu intervalu mezi odběrovými body (100 m). Model variogramu pro pH a TP byl sférický s parametrem range 4500 m a 1400 m, popořadě. Mapy vlastností v hloubce 0–10 cm byly vyprodukovány. Ovšem experimentální variogramy vlastností v hloubce 10–20 cm indikovaly absenci prostorové autokorelace, nejlepší interpolací v hloubce 10–20 cm byl tedy aritmetický průměr, a mapy proto nebyly vytvořeny. Pro případné opakování sběru dat za účelem sledování dynamiky vlastností sedimentu v oblasti Davis Pond bylo doporučeno sebrat vzorky z dalších 10 lokalit tak, aby minimální vzdálenost mezi vzorky byla 50 m. Dále bylo doporučeno, aby byl TP diferencován na organickou a anorganickou složku, což jistě přispěje k vysvětlení dynamiky fosforu.

Abstract:

Coastal zone of Louisiana, USA, is experiencing high rate of wetland loss since the Mississippi River was isolated from the delta by man made levees. Freshwater diversions reintroduce the river water into coastal marshes in order to balance salinity levels and provide sediments and nutrients for marsh accretion. This study presents the geostatistical analysis of soil moisture (MOIST), bulk density (BD), pH, organic matter content (OM), total phosphorus (TP), total nitrogen (TN), and total carbon (TC) in 0?–?10 cm and 10–20 cm soil depth in the ponding area of Davis Pond Freshwater Diversion that has been receiving Mississippi River water since 2002. Cores from 139 locations visited in 2007 were analysed by members of the Department of Oceanography and Coastal Sciences, Louisiana State University. In 0?–?10 cm soil depth, TN, TC, and OM had similar spatial properties and were closely related to BD. Practical range of exponential variogram models fitted to TN, TC, and OM was approximately 3300 m, exponential model of BD had range around 2700 m. Close relationship of these variables is explained by the role of vegetation in marsh ecosystems. Spatial autocorrelation of both TP and pH was weak and interpolated values were associated with high uncertainty. Also relationship between TP or pH and any other variable was weak. Spherical variogram model with 1400 m range was fitted to TP and we infer that processes driving dynamics of TP in Davis Pond act on finer spatial scale than processes affecting TN, TC, and OM. TP was highly variable even at distances shorter than the minimum sampling interval (100 m). Spherical variogram model fitted to pH with 4500 m range indicated that pH was autocorrelated over the longest distances. Maps of soil properties in 0?–?10 cm soil depth were produced using kriging, but no spatial autocorrelation was detected in 10?–?20 cm soil depth.

Keywords

geostatistika, delta Mississippi, Davis Pond, fosfor, disík, uhlík

Keywords

geostatistics, Mississippi Delta, Davis Pond, total phosphorus, total nitrogen, total carbon

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 14. 4. 2011

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Petra Šímová, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme:
null