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Stefan Hotes:

Influence of tephra deposition on mire vegetation in Hokkaido, Japan

2004. VIII, 304 pages, 51 figures, 53 tables, 14x23cm, 600 g
Language: English

(Dissertationes Botanicae, Band 383)

ISBN 978-3-443-64296-9, paperback, price: 70.00 €

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Keywords

peat moss • sphagnum • moss • mire vegetation • fen • ash Torfmoos • Moor • Asche

Contents

Synopsis top ↑

Volcanic eruptions can have a drastic impact on vegetation, and the reaction of plant communities to proximal volcanic disturbance - explosive blasts, pyroclastic flows and lava flows - is well documented. Distal effects of volcanic activity, on the other hand, have rarely been studied in detail. Following large-scale explosive eruptions, vast areas are blanketed by fine-grained volcanic particles known as tephra. The aim of the research that is presented here was to elucidate the impact of tephra on the vegetation of mires in Hokkaido, northern Japan.
Stratigraphical and experimental studies were conducted to investigate the influence of tephra deposition on mire vegetation at different spatial and temporal scales. Peat and sediment cores were taken from six mires in different parts of Hokkaido. Macrofossil analysis was employed to detect vegetation changes in relation to tephra layers during the Holocene. Field experiments were carried out at Sarobetsu Mire in northern Hokkaido to test the impact of artificial tephra layers of different thickness and grain size on a Sphagnum lawn community. The nutrient limitation of Sphagna and vascular plants was studied in a separate experiment.
The results indicate that tephra thickness is the dominant parameter determining the vegetation response, but grain size and the season also play an important role. The long-term effects of tephra deposition are less pronounced than previously suggested. No evidence for fundamental vegetation changes at tephra layers was found.

Bespr.: Zentralblatt f. Geol. u. Pal. Teil II, Jg. 2007, H. 1-2 top ↑

Am Anfang dieser Dissertation findet der Leser ungewöhnlicherweise zuerst eine Liste der Abbildungen und Tabellen sowie die Erläuterung von elf Abkürzungen. Danach folgt die Einleitung, u.a. mit der Vorstellung der die vulkanische Aktivität und der Torfbildung während des Holozäns auf der Insel Hokkaido und den Zielen der Arbeit (11 S.). Im Kapitel Stratigraphie (81 S.) stellt Verf. zunächst die sechs untersuchten Moore und die Untersuchungsmethoden vor. Danach bringt er die Resultate der Feldstratigraphie (auf Grund von Torf- und Sedimentkernen) und der Makrofossilanalysen für vier der untersuchten Moore. Die anschließende Diskussion ist zweigeteilt: Tephraanalysen und pflanzliche Makrofossilien in den untersuchten Mooren sowie eine "weltweite Literaturauswertung".

Im dritten Kapitel (122 S.) schildert Verf. die durchgeführten Experimente und diskutiert deren Resultate. Er hatte auf 60 Versuchsflächen von 1,4 x 1,4 m Kantenlänge natürliche Tephra in unterschiedlicher Schichtdicke (1, 3 oder 6 cm) Lehrbücher, zusammenf. Darstellungen, Bibliographien 143 sowie Glasschrot oder Glasmehl (jeweils 3 cm stark) ausgebracht und ferner auf einer benachbarten Fläche "ein faktorielles Düngungsexperiment" durchgeführt, um die Auswirkung von Nährstoffgaben auf Torfmoose und Gefäßpflanzen zu untersuchen. Das vierte Kapitel (16 S.) stellt eine Synopsis dar, in der der Verf. die Wirkung von Tephraablagerungen auf die Moorvegetation behandelt. Den Schluß der Dissertation bilden die Zusammenfassung (englisch und deutsch), die Danksagung, das Literaturverzeichnis (21 Seiten mit etwa 300 Titeln) und der Anhang, in dem 23 Tabellen zusammengefaßt sind. Dabei gibt es eine kleine Differenz zum Inhaltsverzeichnis: Die dortige Angabe "8 Appendices S. 260" fehlt auf S. 260: Hier beginnt es gleich mit der Tabelle 31. Im Kolumnentitel steht aber stets "Appendix".

In den untersuchten Mooren, die alle in größerer Entfernung vom Ursprungsvulkan lagen, zerstörten die Tephraablagerungen die vorhandene Vegetation nicht völlig. Verf. fand keine grundlegenden Veränderungen der Moorvegetation durch die Tephraablagerungen während des Holozäns. Allerdings gab es "lokal Hinweise auf vorübergehende Effekte". Auf Grund der von ihm durchgeführten Experimente kommt Verf. zu der Ansicht, daß "die physikalische Wirkung von Tephra in den ersten zwei Jahren nach der Ablagerung bedeutsamer ist als chemische Veränderungen des Porenwassers im Torf". Gemeint ist dabei vor allem die Schichtdicke. "Pflanzen aller Lebensformen konnten die mineralische Auflage von unten durchwachsen." Verf. kommt zu dem Ergebnis, daß der Einfluß von Tephraablagerungen auf die Moorvegetation geringer zu sein scheint als bisher angenommen. In der Regel wird die Moorvegetation "durch Erholung der abgedeckten Pflanzen innerhalb von 1 bis ca. 10 Jahren zum Ausgangszustand vor der Störung zurückkehren".

Einige Anmerkungen zur Ausführung der Arbeit: Verf. wendet die Regeln der Dezimalklassifikation nicht konsequent an. Die im Text genannten Inseln, Flüsse, Vulkane usw. sind auf den Karten leider nicht eingetragen, was das Verständnis der Arbeit erschwert. Verf. und Verlag hätten der fehlerhaften deutschen Zusammenfassung ruhig mehr Aufmerksamkeit schenken können. Positiv zu erwähnen ist der sorgfältige Umgang mit der Literatur: Fast alle im Text erwähnten Arbeiten sind im Literaturverzeichnis aufgeführt. Allerdings hätte man dort bei den genannten Büchern die jeweilige Auflage nennen sollen.

D. H. STORCH

Zentralblatt f. Geologie und Paläontologie Teil II, Jg. 2007, H. 1-2

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List of figures and tables iv
Abbreviations viii
1 Introduction 1
1.1 General characteristics of tephragenic eruptions 2
1.2 Volcanic activity in Hokkaido during the Holocene 5
1.3 Mire formation in Hokkaido during the Holocene 6
1.4 Hypotheses about the response of mire vegetation
to tephra deposition 8
1.5 Objectives 10
2 Stratigraphical approach 12
2.1 Material and methods 13
2.1.1 Study areas and sampling sites 13
2.1.1.1 Utonai 13
2.1.1.2 Kimonto 17
2.1.1.3 Bekanbeushi 18
2.1.1.4 Kiritappu 20
2.1.1.5 Uryunuma 22
2.1.1.6 Sarobetsu 23
2.1.2 Field methods 25
2.1.3 Laboratory methods 27
2.1.4 Data analysis and presentation 30
2.2 Results 32
2.2.1 Field stratigraphy 32
2.2.1.1 Utonai 32
2.2.1.2 Kimonto 36
2.2.1.3 Bekanbeushi 37
2.2.1.4 Kiritappu 42
2.2.1.5 Uryunuma 45
2.2.1.6 Sarobetsu 46
2.2.2 Macrofossil analysis 48
2.2.2.1 Utonai 51
2.2.2.2 Kimonto 53
2.2.2.3 Bekanbeushi 55
2.2.2.4 Sarobetsu 65
2.2.3 Tephra content and rate of macrofossil change 68
2.3 Discussion 69
2.3.1 Tephra layers and plant macrofossils at the study sites 69
2.3.2 Literature review 77
2.3.2.1 Tephra and plant macrofossils in Hokkaido 77
2.3.2.2 Tephra and plant macrofossils in southern Japan 81
2.3.2.3 Tephra and plant macrofossils worldwide 83
2.3.2.4 Impact of tephra on other proxies derived from peat 84
2.3.2.5 Tephra impact and regional distribution of mire types 88
3 Experimental approach 93
3.1 Experimental site 94
3.1.1 Topography, geology and landscape development 94
3.1.2 Vegetation 95
3.1.3 Hydrology 96
3.1.4 Human influence 96
3.2 Tephra deposition experiment 98
3.2.1 Material and methods 98
3.2.1.1 Experimental plots and tephra treatments 98
3.2.1.2 Water level monitoring and meteorological data 100
3.2.1.3 Leaching experiment and surface peat bulk density 101
3.2.1.4 Water sampling and analysis 102
3.2.1.5 Redox potential, oxygen saturation and free sulphide 106
3.2.1.6 Vegetation survey 107
3.2.1.7 Litterbags 108
3.2.2 Results 110
3.2.2.1 Meteorological conditions and water levels 110
3.2.2.2 Leaching from tephras and bulk density of peat 111
3.2.2.3 Changes of the pore water chemistry 119
3.2.2.4 Changes of the redox potential, oxygen saturation and
free sulphide concentration 135
3.2.2.5 Botanical changes 140
3.2.2.6 Sphagnum decomposition 164
3.2.2.7 Relocation of tephra particles 165
3.2.3 Discussion 167
3.2.3.1 Vegetation and site conditions at the beginning of the experiment 167
3.2.3.2 Physical and chemical consequences of experimental tephra
deposition 176
3.2.3.3 Botanical consequences of experimental tephra deposition 183
3.2.3.4 Effects of experimental tephra deposition on Sphagnum
decomposition 190
3.2.3.5 Relocation of tephra particles 192
3.3 Fertilization experiment 194
3.3.1 Material and methods 194
3.3.1.1 Experimental plots 194
3.3.1.2 Fertilization 194
Contents iii
3.3.1.3 Harvesting 195
3.3.1.4 Determination of dry weights 196
3.3.1.5 Sphagnum growth 196
3.3.1.6 Tissue nutrient contents 197
3.3.2 Results 199
3.3.2.1 Above-ground biomass of vascular plants 199
3.3.2.2 Sphagnum growth 200
3.3.2.3 Tissue nutrient contents of Carex middendorffii and
Sphagnum papillosum 202
3.3.3 Discussion 206
3.3.3.1 Fertilization effects on the above-ground biomass 206
3.3.3.2 Fertilization effects on Sphagnum growth 207
3.3.3.3 Fertilization effects on tissue nutrient contents 210
3.3.3.4 N:P-ratio and nutrient limitation 212
3.3.3.5 Tephra impact and nutrients 213
4 Synopsis - impact of tephra deposition on
mire vegetation 215
4.1 Geological history, geographical distribution and frequency
of tephra deposition on mires 215
4.2 Effects of tephra deposition on physical and chemical
site conditions 219
4.3 Effects of tephra deposition on flora and vegetation 222
4.4 A conceptual model of tephra impact on mire vegetation 227
4.5 Is there a "tephratrophic" mire type? 229
5 Summary 230
5.1 Summary 230
5.2 Zusammenfassung 233
6 Acknowledgements 237
7 References 239
8 Appendices 260

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This study deals with the effects of tephra (volcanic ash) deposition on mires and their vegetation. It focuses on the ecological effects induced by tephra deposition on mire surfaces. It tries to determine whether there is an impact on macrofossil composition and what if any eruption factors influence the floristic succession (seasonal effects?). Furthermore the effects on physical parameters, such as pore water chemistry, oxygen content, redox potential and sulfide activity in the mires are considered, and the impact these factors have on Sphagnum-decomposition on the mire surface and how these factors influence the limiting nutrient supply for the vegetation in these mires.
To that end, six mires from Hokkaido are surveyed and studied and their individual environments are critically assessed.