A quantitative multidisciplinary approach for understanding the role of plants in salt-marsh retreat: the case study of the San Felice salt marsh (VE)

Salt marshes are delicate yet rich environments expected to undergo significant changes due to the rise in sea levels caused by climate change. They are low-lying intertidal wetlands characterised by halophytic herbaceous plants, often divided by networks of tidal channels that facilitate the exchange of water, sediments, and nutrients between tidal flats and the open sea. This thesis aims to understand the role of plants in mitigating salt marsh retreat, using the San Felice salt marsh (Venice Lagoon) as an example. Four different quantitative approaches were employed to achieve this. Ten seismic refraction datasets were collected in 2023 and 2024 in vegetated and non-vegetated soils under both low and high tide conditions. The data were processed and inverted (Rücker et al., 2017) to model the velocity propagation of subsurface waves. The results showed significant differences between vegetated and non-vegetated areas, indicating that plants’ roots can substantially modify the mechanical properties of subsurface sediments - with higher organic matter and water content in vegetated areas likely contributing to this effect. A spatial-temporal analysis covering a twenty-year period was conducted on four channels of the San Felice salt marsh: the Gaggian Channel, the San Felice Channel, an artificial channel, and the channel where geophysical surveys were performed. The observed migration rates suggest that bank retreat is primarily driven by hydrodynamic forces, such as currents and wind waves, with estimated rates on the order of 0.30 m/yr. While this highlights the dominant role of hydrodynamic processes in driving salt marsh retreat, the specific contribution of vegetation to mitigating lateral erosion could not be conclusively demonstrated, mainly due to the lack of non-vegetated marsh surfaces at comparable elevations for direct comparison. Additionally, a combined wind wave-tidal model (Carniello et al., 2005, 2011) demonstrated a strong coupling between water level, wave height, and total bottom shear stress, indicating that high tides coincide with increased wave action and enhanced erosion potential. Finally, four core samples collected in the San Felice salt marsh were analysed for water content and loss-on-ignition (LOI). The results revealed a strong correlation between water content and organic matter content, which is consistent with the seismic observations and further supports the hypothesis that vegetation influences the mechanical behaviour of surface sediments through root-induced processes. Overall, the study demonstrates that salt marsh vegetation can modify the mechanical properties of subsurface sediments and may contribute to enhancing soil resistance. However, the systems’ complex dynamics and the current limitations in site comparison call for further research to fully elucidate the role of vegetation in controlling salt marshes’ lateral erosion.

Le barene sono ecosistemi ricchi e delicati che si stima possano andare incontro a trasformazioni significative a causa dell’innalzamento del livello medio del mare dovuto al cambiamento climatico. Si tratta di zone umide, intertidali a bassa latitudine caratterizzate da piante erbacee ed alofite ed attraversate da canali tidali che facilitano lo scambio di acqua, sedimenti e nutrienti tra piane mareali e il mare aperto. Lo scopo di questa tesi è comprendere il ruolo delle piante nel mitigare l’erosione laterale delle barene, con la barena San Felice (Laguna di Venezia) studiata come esempio. Quattro diversi metodi quantitativi sono stati utilizzati per questo obiettivo. Dieci set di dati di sismica a rifrazione sono stati raccolti nel 2023 e 2024 in suoli vegetati e non vegetati in condizioni di bassa ed alta marea. I dati sono stati processati e ne è stata fatta l’inversione (Rücker et al., 2017) per modellare le velocità di propagazione delle onde sismiche nel sottosuolo. I risultati hanno dimostrato differenze significative tra aree vegetate e non vegetate, indicando che le radici delle piante potrebbero giocare un ruolo importante nel modificare le proprietà meccaniche del sottosuolo - con un possibile contributo dovuto al maggior contenuto di materia organica e di acqua nelle aree vegetate. Un’analisi spazio-temporale è stata realizzata nell’arco di venti anni su quattro canali: il Canale San Felice, il Canale Gaggian, un canale artificiale ed il canale dove sono state condotte le indagini geofisiche. I tassi di migrazione osservati suggeriscono arretramenti dovuti principalmente a forze idrodinamiche, come correnti ed onde generate dal vento, dai valori stimati nell’ordine dei 0.30 m/anno. Nonostante questi risultati mettano in luce un ruolo dominante da parte dei processi idrodinamici nell’erosione laterale delle barene, il contributo specifico da parte delle piante per mitigare questo effetto non è potuto essere dimostrato in modo conclusivo a causa della scarsa presenza di superfici di barena non vegetate ad elevazioni comparabili per un confronto diretto. Inoltre, un modello combinato tra onde di vento e maree (Carniello et al., 2005, 2011) ha dimostrato un effetto combinato tra livello d’acqua, altezza d’onda e stress al fondo, indicando che l’alta marea coincide con un’azione delle onde maggiore ed un aumento dello stress al fondo. Infine, quattro campioni di carote, raccolti nella barena San Felice, sono stati analizzati per individuarne il contenuto d’acqua e materia organica via loss-on-ignition (LOI). I risultati hanno dimostrato una forte correlazione tra contenuto d’acqua e materia organica, il che è coerente con le osservazioni fatte per i modelli sismici e supporta ulteriormente l’ipotesi che la vegetazione influenzi il comportamento meccanico dei sedimenti superficiali attraverso processi indotti dalle radici. Complessivamente, lo studio dimostra che la vegetazione delle barene può modificare le proprietà meccaniche dei sedimenti e potrebbe contribuire a migliorare la resistenza del suolo. Tuttavia, la complessa dinamicità del sistema e le limitazioni attuali nel confronto tra diverse zone richiedono ulteriori ricerche per chiarire completamente il ruolo della vegetazione nel controllare l’erosione laterale delle barene.