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Riparian and valley-margin hardwood species of pre-colonial Piedmont forests: A preliminary study of subfossil leaves from White Clay Creek, southeastern Pennsylvania, USA

Sara J. Elliott, Christen L. Grettenberger, Michael P. Donovan, Peter Wilf, Robert C. Walter, and Dorothy J. Merritts

Plain Language Abstract

Native Americans inhabited eastern North America for millennia, but their environmental impacts were negligible compared with those of European settlers. A significant example is the tens of thousands of milldams that the colonists constructed across Piedmont streams to power their furnaces, forges, and mills during the late 17th to 19th centuries. These activities, combined with intense upland deforestation, led to soil erosion and mobilization of unprecedented amounts of nutrient-rich silt downstream and onto "floodplains", i.e., sediment-filled terraces. These activities effectively raised the "floodplain," in some places by up to 5 meters, causing an unnaturally large gap between the land surface and the underlying water table. These effects sharply reduced populations of native riparian trees and other plants, dramatically transforming entire ecosystems along with the hydrology. Our study focuses on direct, paleobotanical evidence for changes in riparian and lower-slope vegetation brought about by the landscape modifications of early European settlers, and it adds to the emerging picture of pre-settlement Piedmont landscapes.

Along White Clay Creek in Chester County, southeastern Pennsylvania, we recovered and identified pre-European settlement subfossil leaves (leaves not yet lithified) from an ancient wetland soil that is now buried beneath more than a meter of upland silts that were trapped in the valley-bottom as a result of milldam ponding. The collected samples are constrained to pre-European settlement (1639 - 1668 C.E) through radiocarbon dating of selected leaf specimens from the fossil deposit. From these samples, we identified some of the hardwood tree species that dominated the riparian and valley-margin areas of Piedmont streams before extensive deforestation, agriculture, and human infrastructure modified the environment. Subfossil leaves are rarely used by paleontologists because of their extreme fragility, but because they are minimally transported and temporally mixed compared to more commonly studied seeds and pollen, they can provide detailed, localized views of past landscapes that are not usually available otherwise.

Based on our discoveries and comparisons to previously published data from nearby sites in southeastern Pennsylvania, we conclude that the hardwood riparian zone vegetation of White Clay Creek once contained willows, Hazel Alder, and Box Elder, while the surrounding lower hill slopes supported red and white oaks, Tulip Tree, and American Beech. The pre-settlement forests could have been similar to a modern day Red Maple-Black Ash swamp forest in wetlands and on floodplains, and a Mesic Oak-Beech mixed forest on lower hill slopes. Compared with the modern vegetation at the site, which is mostly low-statured and weedy, it is apparent that extreme modifications of the floodplains and their vegetation have occurred during the last few centuries.

Resumen en Español

Especies de frondosas de ribera y de márgenes de valle de bosques pre-coloniales de Piedmont: Un estudio preliminar de hojas subfósiles de White Clay Creek, sureste de Pennsylvania, EE.UU.

A partir del siglo XVII, las actividades coloniales como el desmonte de tierras, la agricultura y el represado alteraron significativamente los paisajes, la vegetación y la hidrogeomorfología de la región noreste de Piedmont, actualmente EE.UU. En la actualidad, la maleza y la vegetación no nativa dominan las zonas de ribera alteradas y las laderas de las colinas, donde una vez prevalecieron los bosques maduros de madera dura. Varios estudios han identificado las floras originales de herbáceas de humedales a partir de restos de frutas y semillas. Sin embargo, sólo un estudio ha proporcionado evidencia sobre las especies leñosas originales que eran dominantes mediante el uso de la señal localizada disponible de hojas subfósiles; dicho estudio reconstruyó los bosques de arce-fresno de llanura de inundación de pantano a lo largo de los márgenes de valle y los bosques mixtos roble-haya en las laderas elevadas a partir de la asociación hallada en un yacimiento del condado de Lancaster, sudeste de Pennsylvania. Aquí, se estudian las hojas subfósiles que han sido recuperadas de los suelos enterrados de los humedales de White Clay Creek en el vecino condado de Chester, Pennsylvania, de forma que se proporcionan nuevos datos espaciales de relevancia para conocer los bosques maduros regionales. La asociación subfósil de hojas, fechada con radiocarbono aproximadamente en el año 1650, se compone de especies leñosas con una diversa gama de afinidades por los humedales, lo que indica que se originó por aportes tanto de la zona de ribera como de las laderas elevadas más bajas de los alrededores. Las especies de humedales, tanto facultativas como no facultativas, incluyen el sauce (Salix spp.) y el aliso de la especie Alnus serrulata. El negundo hallado (Acer negundo) es la única especie facultativa presente, mientras que el haya americana (Fagus grandifolia), los grupos de roble "blanco" y rojo (Quercus Section Quercus y Q. Section Lobatae, respectivamente), y el tulípero de Virginia (Liriodendron tulipifera) comprenden los taxones facultativos de tierras altas que han sido identificados. Estos resultados complementan y corroboran el trabajo previo y elevan la fiabilidad de nuestra comprensión del paisaje pre-europeo, lo que podría hacer aumentar la eficacia de los proyectos regionales de restauración ambiental.

Palabras clave: paleobotánica; Holoceno; hojas; paleoecología; restauración; presas

Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología)

Résumé en Français

Les espèces ligneuses des zones ripariennes et des bords de vallées dans les forêts précoloniales du Piedmont : une étude préliminaire des feuilles subfossiles de la « White Clay Creek », sud-est de la Pennsylvanie, États-Unis

Au début du XVIIème siècle, les activités coloniales telles que le défrichement, l'agriculture, et la construction d'écluses de moulins ont transformé de manière importante les paysages, la végétation, et l'hydrogéomorphologie de la région du nord-est du Piedmont, aux États-Unis. Actuellement, une végétation allochtone de mauvaises herbes domine les paysages ainsi transformés des zones ripariennes et des pentes de collines où prédominaient autrefois les forêts ligneuses primaires. D'après des fruits et des graines, plusieurs études ont identifié des flores herbacées de terrains humides antérieures à la colonisation. Cependant, seule une étude a fourni des preuves de la domination des espèces ligneuses avant la colonisation en utilisant le signal local disponible d'après les feuilles subfossiles : ce travail a reconstitué des forêts de marécages de plaines d'inondation à érables negundo le long des bords de vallées et des forêts mixtes sur la partie supérieure des pentes d'un site dans le Comté de Lancaster, au sud de la Pennsylvanie. Dans cet article, nous examinons les feuilles subfossiles provenant des sols enfouis des zones humides de la « White Clay Creek » dans le Comté voisin de Chester, Pennsylvanie, fournissant une quantité importante de nouvelles données spatiales pour notre compréhension des forêts primaires régionales. L'assemblage de feuilles, daté aux alentours de 1650 par radiocarbone, est composé d'espèces ligneuses avec une gamme variée d'affinités avec les terrains humides, indiquant des sources à la fois dans la zone riparienne et dans les pentes des basses collines avoisinantes. Les espèces obligées et facultatives de zones humides incluent le saule (Salix spp.) et l'aulne tendre (Alnus serrulata). L'érable negundo (Acer negundo) est la seule espèce facultative présente, alors que le hêtre à grandes feuilles (Fagus grandifolia), les groupes des chênes blancs et rouges (respectivement Quercus Section Quercus et Q. Section Lobatae), et le tulipier de Virginie (Liriodendron tulipifera) constituent les taxons facultatifs des hautes terres identifiés. Ces résultats complètent et corroborent les travaux précédents, permettant une plus grande confiance dans la compréhension des paysages antérieurs à la colonisation par les Européens, et augmentant ainsi potentiellement l'efficacité des projets régionaux de restauration environnementale.

Mots-clés : paléobotanique ; Holocène ; feuilles ; paléoécologie ; restauration ; écluses de moulin

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Ufernahe und Talrand-bewohnende Hartholz-Arten prä-kolonialer Piedmont Wälder: eine Vorstudie über subfossile Blätter aus dem White Clay Creek, südöstliches Pennsylvania, USA

Ab dem 17. Jahrhundert veränderten Kolonialaktivitäten wie Rodungen, Landwirtschaft und Mühlenwehre die Landschaft, die Vegetation und die Hydrogeomorphologie der nordöstlichen Piedmont-Region (moderne USA) signifikant. Heute dominiert eine verunkrautete und nicht-einheimische Vegetation die veränderte Uferzone und Berghänge, wo einst altbestehende Hartholz-Wälder vorherrschten. Verschiedene Untersuchungen haben anhand von Früchten und Samen krautartige Feuchtgebiets-Floren aus der Zeit vor der Besiedelung identifiziert. Jedoch nur ein Bericht hat den Nachweis der dominierenden Holzart aus der Vor-Besiedelungszeit erbracht, indem das eingegrenzte Merkmal subfossiler Blätter verwendet wurde. Diese Arbeit rekonstruierte Ahorn-Eschen Sumpfauenwälder entlang Talrändern und Eichen-Buchen-Mischwälder auf oberen Hängen an einem Standort in Lancaster County, südöstliches Pennsylvania. Hier untersuchen wir subfossile Blätter aus den verschütteten Sümpfen von White Clay Creek im benachbarten Chester County, Pennsylvania, die signifikante neue räumliche Daten zum Verständnis der regionalen altbestehenden Wälder liefern. Die Blatt-Assemblage, C-14 datiert auf ca. 1650, besteht aus Holzarten mit einem breiten Spektrum von Feuchtgebietsaffinitäten und weist auf Quellen sowohl in der Uferzone als auch in den unteren Berghängen hin. Obligate und fakultative Feuchtgebiets-Arten beinhalten Weide (Salix spp.) und Hasel-Erle (Alnus serrulata). Eschen-Ahorn (Acer negundo) ist die einzige fakultative Art, während die Ameriknische Buche (Fagus grandifolia), die Weiss-und Roteichen-Gruppen (Quercus Sektion Quercus und Q. Sektion Lobatae) und der Tulpenbaum (Liriodendron tulipifera) die identifizierten fakultativ-Hochland Taxa umfassen. Diese Ergebnisse ergänzen und bestätigen vorangehende Arbeiten, ermöglichen ein besseres Verständnis der vor-europäischen Landschaft und erhöhen potentiell die Effektivität regionaler Umweltsanierungs-Projekte.

Schlüsselwörter: Paläobotanik; Holozän; Blätter; Paläoökologie; Restoration; Mühlenwehre

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa

 

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