Een complex netwerk van vertakkende geulen doorsnijdt een schor in de Lagune van Venetië, Italië. Foto: Roeland van de Vijsel.
Op 19 maart 2021 verdedigde Roeland van de Vijsel aan de Rijksuniversiteit Groningen zijn proefschrift over zijn onderzoek naar de vorming van geulnetwerken in getijdegebieden bij NIOZ in Yerseke. Om het functioneren van hedendaagse en toekomstige kustgebieden beter te begrijpen, liet hij zich inspireren door de geologische ontwikkeling van zulke landschappen, beginnend in het Precambrium. Onderstaand stuk van zijn hand, is uitgekozen als uitgelicht artikel van Geo.brief 2021-2 (gratis voor leden van het KNGMG). Wilt u lid worden van het KNGMG, dat kan via deze link.
Het is iedere aardwetenschapper vast wel eens opgevallen: de diversiteit van de geulnetwerken die sedimentaire landschappen doorsnijden bij laagtij, te zien bij de schorren en slikken van de Zeeuwse delta of de kwelders en wadplaten van de Waddenzee. Geulenstelsels vervullen een belangrijke rol in de kustbescherming die schorren en slikken kunnen bieden.
Schorren en slikken zijn intergetijdengebieden; bij hoogtij kunnen deze ecosystemen overstromen en bij laagtij droogvallen. Schorren zijn door vegetatie begroeid terwijl slikken onbegroeid zijn. Soms vormen de geulen in deze kustecosystemen een complex vertakkend netwerk; de grootste geulen (soms wel honderden meters breed) splitsen zich op in steeds kleiner wordende zijgeulen, tot aan de kleinste kreekjes die met één stap over te steken zijn (zie foto 1). Geulenstelsels kunnen echter ook juist verrassend eenvoudig zijn en uit parallel lopende geulen bestaan die met welhaast wiskundige regelmaat over het landschap verdeeld lijken te zijn. Wereldwijd spelen schorren en slikken een belangrijke rol in de bescherming van dichtbevolkte kustlijnen tegen de overstromingsrisico’s die door klimaatverandering steeds aanzienlijker worden. Aangezien geulenstelsels bepalend zijn voor de manier waarop stormvloeden het land bereiken, voor de afwatering na een overstroming en voor de aanvoer van sediment, is het van groot belang om te begrijpen hoe geulnetwerken, variërend van ‘simpel’ regelmatig tot uiterst ‘complex’ vertakkend, worden gevormd en hoe ze functioneren. Dit is de onderzoeksvraag die tijdens mijn promotieonderzoek bij het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) in Yerseke centraal heeft gestaan.
Geologische tijdschalen / De geologische geschiedenis van sedimentaire landschappen op Aarde suggereert dat biologische processen een belangrijke invloed hebben op de ruimtelijke structuur van geulenstelsels. Eerdere studies hebben laten zien dat sedimentaire getijdenlandschappen in het Precambrium (meer dan 540 miljoen jaar geleden) veelal werden doorsneden door brede geulen met weinig vertakkingen. In het Precambrium speelde vegetatie nog nauwelijks een rol; het sediment werd voornamelijk gekoloniseerd door cyanobacteriën en andere primitieve organismen. Ook is door eerder onderzoek aangetoond dat geulnetwerken in de loop van de daaropvolgende miljoenen jaren steeds complexer werden (geulvertakkingen, meanders) en dat deze landschapsontwikkeling zich gelijktijdig met de evolutie van landplanten voltrok. Eerdere studies in hedendaagse schorren bevestigen het idee dat vegetatie de complexiteit van geulnetwerken verhoogt. Tijdens mijn promotieonderzoek heb ik geprobeerd te begrijpen waarom vegetatie hiervoor zo belangrijk is.
Parallel lopende geulen vormen een regelmatig ruimtelijk patroon op een slikplaat in het Schelde-estuarium, België; Donkergroene benden zijn verhoogde sedimentrichels, begroeid door algenmatten (Vaucheria). Foto: Jim van Belzen (NIOZ Yerseke)
Zelforganisatie / Op een halfuur rijden vanaf het NIOZ in Yerseke, op de slikplaten van het Schelde-estuarium, zijn de prachtigste geulpatronen te vinden. Vanuit de lucht gezien vormen de afwisselende rechte geulen en naastgelegen sedimentaire richels een keurige “streepjescode” (zie foto 2). De richels kleuren donkergroen doordat ze zijn begroeid door draadvormige algen (Vaucheria sp.). Samen met collega’s van het NIOZ heb ik gedurende een paar jaar veldmetingen gedaan om de ontwikkeling van dit geulpatroon te doorgronden. Uit mijn analyses van hoogtemetingen en luchtfoto’s blijkt dat het regelmatige patroon (de geulen hebben een constante afstand van zo’n 2,5 meter tot elkaar) ‘spontaan’ op het slik is ontstaan. Om deze patroonvorming beter te begrijpen heb ik naast veldmetingen ook laboratoriumexperimenten uitgevoerd. De resultaten laten zien dat algen het sediment stabiliseren, wat de ophoping van sediment bevordert, waar de algen vervolgens weer van profiteren doordat ze bovenop deze sedimentophopingen minder aan overstroming zijn blootgesteld. Direct náást deze sedimentophogingen wordt algengroei juist belemmerd, doordat de waterstroming met grotere snelheid om de ophogingen heen wordt geleid wat weer leidt tot de uitslijting van geulen. Deze zogenoemde “biogeomorfologische” interacties tussen algengroei, sedimentdynamiek en waterstroming zijn lokaal dus bevorderlijk voor algengroei en op verdere afstand juist belemmerend. Hieruit heb ik geconcludeerd dat het geulpatroon waarschijnlijk is ontstaan door zelforganisatie, het proces waarin kleinschalige interacties kunnen leiden tot de spontane vorming van grootschaliger regelmaat. Het was al bekend dat zelforganisatie de ruimtelijke structuur van tal van natuurlijke systemen kan verklaren, variërend van zebrastrepen tot vegetatiegroei op de steppe. Mijn onderzoek heeft aangetoond dat dit proces eveneens een verklaring is voor regelmatige geulpatronen in getijdengebieden.
Precambrische gelijkenis / Tijdens mijn onderzoek vond ik sterke overeenkomsten tussen de richel- en geulpatronen in het Schelde-estuarium en fossiele landschapsvormen uit het Precambrium. Door sedimentkernen die we in sedimentrichels op de slikplaat hadden verzameld met röntgenstraling te fotograferen, werd een horizontale gelaagdheid zichtbaar met de karakteristieke golvende structuur van de Vaucheria-matten (zie foto 3). Deze structuur is vergelijkbaar met de gelaagde ‘microbialieten’ die al sinds het Precambrium in fossiele vorm bewaard zijn gebleven. Eerdere geologische studies hebben laten zien hoe zulke microbialieten worden gevormd onder invloed van sedimentstabilisatie door primitieve organismen en dat deze biogene gesteenten eveneens vaak door regelmatig verspreide geulen werden doorsneden. De slikplaatpatronen die ik heb bestudeerd lijken dus een hedendaags equivalent te zijn van de sedimentaire structuren van honderden miljoenen jaren geleden. Mijn bevindingen wijzen zelforganisatie dus aan als verklaring voor moderne regelmatige geulpatronen en impliceren ook dat zelforganisatie mogelijk gedurende een aanzienlijk deel van de geologische geschiedenis van de Aarde een belangrijke landschapsvormende rol heeft gespeeld.
Complex geulenstelsel in een wiskundig gemodelleerde schor met vegetatiedichtheid weergegeven. Planten groeien goed (groen) op hoger gelegen delen en groeien niet of nauwelijks (grijs) in de dieper gelegen geulen.
Van simpel naar complex / Hoe zit het nu met de ruimtelijk complexere patronen? Om deze te begrijpen ontwikkelde ik een wiskundig model om het ontstaan van geulpatronen te kunnen simuleren. Dit model berekent het geullandschap dat ontstaat door de biogeomorfologische interacties zoals hiervoor beschreven. De modelberekeningen laten inderdaad zien dat lokale sedimentstabilisatie door algen (of planten) en waterstroomversnelling rond deze biologisch gestabiliseerde richels leiden tot een regelmatig patroon van alternerende geulen en richels. Wanneer vervolgens de sterkte van de biogeomorfologische interacties in het model toeneemt, wordt het geulpatroon steeds complexer tot uiteindelijk een sterk vertakkend netwerk ontstaat (zie figuur 1). Dit komt doordat sterkere interacties zorgen voor hogere sedimentrichels en diepere geuluitslijting. De richels worden hierdoor zo steil, dat het water óók van de richels afstroomt, haaks op de oorspronkelijke (primaire) stroomrichting. Hierdoor ontstaat een secundair geulpatroon van regelmatig verspreide geulvertakkingen, ingebed in het primaire (oorspronkelijke) geulpatroon. Dit proces kan zich nog vaker herhalen, oftewel waterstroming die van de secundaire geulrichels afvloeit kan de vorming van een tertiair geulpatroon opwekken, enzovoorts (zie figuur 2). Mijn modelresultaten laten zien dat één enkel zelforganisatieproces kan leiden tot een breed scala aan patronen, van simpel tot uiterst complex, die sterke overeenkomsten vertonen met de geulenstelsels op ‘echte’ slikken en schorren.
De rol van vegetatie / Wat kunnen we nu concluderen met betrekking tot de rol van vegetatie? Mijn modelresultaten laten zien dat geulpatronen ruimtelijk complexer worden als de biogeomorfologische interacties sterker worden, en een manier om deze interacties te versterken is het verhogen van de sedimentstabiliteit. In een steviger bodem kunnen diepere geulen worden uitgesleten en kunnen hogere sedimentrichels worden opgebouwd. Daarmee neemt de stroomsnelheid toe van het water dat van deze richels afstroomt (haaks op het primaire geulpatroon) en neemt ook de kans op geulvertakking toe. Het was al bekend dat sedimentstevigheid wordt beïnvloed door zowel fysische karakteristieken (bijvoorbeeld korrelgrootte en bodemcompactie) als door biologische processen. Cyanobacteriën en andere primitievere organismen die in het Precambrium leefden, verstevigden het sediment doordat ze korrels konden samenbinden met hun filamenten of doordat ze een lijmachtige substantie produceerden. De plantensoorten die zich in de loop van miljoenen jaren op Aarde ontwikkelden konden door hun uitgebreide wortelstelsels het sediment echter nog verder verstevigen. Het simultane complexer worden van geullandschappen en de evolutie van landplanten, zoals eerdere geologische studies hebben gevonden, kan dus worden verklaard door middel van het zelforganisatieprincipe dat ik in mijn onderzoek heb gevonden.
Linksboven: lokale biogeomorfologische interacties tussen algengroei, sedimentdynamiek en waterstroming. Blauwe pijlen geven de waterstroomrichting aan; groene lijn geeft de zone aan waarin algengroei en sedimentstabilisatie elkaar positief beïnvloeden; rode lijnen geven de zones aan waarin algensterfte en sedimenterosie elkaar versterken. Foto is aangepast en met toestemming overgenomen uit de publicatie van de Vijsel et al. (2020). Rechtsboven: deze interacties kunnen een regelmatig geulpatroon teweegbrengen. Linksonder: dezelfde interacties kunnen zich herhalen, maar nu stroomt het water van de richels van het primaire geulpatroon af. Rechtsonder: dit vertakkingsproces kan zich steeds herhalen, een geulpatroon vormend dat is opgebouwd uit regelmatige patronen op meerdere ruimtelijke schalen.
Demping van golven / Ook met het oog op de toekomst is het van groot belang om de ruimtelijke complexiteit van getijdenlandschappen zoals slikken en schorren goed te begrijpen. Hoe beïnvloedt de structuur van het geulnetwerk de demping van golven en stormvloeden en de aanvoer van sediment? En heeft de complexiteit van het kustlandschap invloed op de bestendigheid van deze ecosystemen tegen klimaatverandering? Het wiskundige model dat ik heb ontwikkeld kan, dankzij een sterk geïdealiseerde opzet, inzicht geven in dit soort vragen. Op de lange termijn kan dit bijdragen aan een meer natuurlijke en duurzame manier om onze dichtbevolkte kustgebieden te beschermen tegen overstromingen.
Roeland van de Vijsel is op 19 maart gepromoveerd aan de Rijksuniversiteit Groningen. Zijn onderzoek werd gefinancierd door het NWO-project “The New Delta” (projectnummer 869.15.003). Zijn proefschrift is online beschikbaar via: http://hdl.handle.net/11370/45b1eea8-a2e4-4ea6-bad2-d544a3fc9745
– van de Vijsel, R.C. (2021). Biophysical self-organization of coastal wetlands: Unraveling spatial complexity on tidal flats and marshes, from the Precambrian to today. University of Groningen.
– van de Vijsel et al. (2020). Estuarine biofilm patterns: Modern analogues for Precambrian self‐organization. Earth Surface Processes and Landforms 45 (5), 1141-1154. https://doi.org/10.1002/esp.4783