Battle between land and sea obeys mathematical laws

~~ For Dutch, scroll down ~~

Tipping points

In recent years, Van Belzen's research included studies on the salt marshes along the banks of the Western Scheldt. There, he looked at the so-called tipping points that exist in the interplay of forces between waves, plants and sediment. Van Belzen: “A salt marsh puts a brake on the energy of the oncoming waves and the tide. As a result, those stretches of outlying land with salt marsh plants, protect the dikes from the force of the water. But those waves can also slowly break up the salt marshes. If the force of the waves becomes too great, or the strength of the root mat of plants too weak, then the scale may tip and land can disappear into the sea.”

Predicting

Van Belzen discovered that to some extent you can calculate the chances that such a tipping is about to happen. “The recovery of plants on salt marshes is an important clue”, the researcher wrote back in 2017 in Nature Communications, the actual starting point of his PhD-research. “By mowing plants on a small piece of salt marsh in an experiment and seeing how quickly the plants recover, you can see how close such a piece of land is to a tipping point. The faster the plants grow back, the more resilient the system.”

Quality over quantity

Van Belzen saw that it is not always the salt marshes with the biggest biomass of plants, that show the highest resilience. “It's all about quality, rather than quantity,” Van Belzen summarizes. “We were able to confirm that with old aerial photographs. On those pictures, we looked at salt marshes along the Western Scheldt that had been affected by storms in recent decades and we checked how quickly they were returning. It wasn't necessarily the stretches with the most plants that came back first.”

Systems without tipping points

Not all salt marshes exhibit tipping points, Van Belzen observed. “There may also be salt marshes that simply erode more and more, as the forces of water increase. These marshes then also grow back almost automatically when the forces of water decrease. Nature restoration is relatively easy in such a case.”

A salt marsh system that does have tipping points, often recovers with much more difficulty. Just as there may be a tipping point that causes a firm salt marsh to ‘suddenly’ erode, there will be a tipping point for recovery as well. Only when harsh conditions are sufficiently reduced, young and vulnerable salt marsh plants can begin to grow again. “So, for good management, the question is: to tip or not to tip. The laws of recovery rates of plants and silt at the edges of salt marshes, reveal whether or not such a marsh has tipping points or not."

Helping nature restoration and coastal defense

Nature managers would be wise to delve into these laws of growth and erosion of salt marshes, Van Belzen argues. “When you want to strengthen natural coastal defenses with a salt marsh, in some cases you will have to help nature beyond a tipping point."

Van Belzen sees good opportunities to use artificial structures to support plant growth. “By doing so, we not only help nature restoration, but we can also use nature to better protect our dikes from the forces of water.”

The best way to do that is with natural materials in equally natural patterns. Just making a straight dike from, say, flax bags full of shell material may sound very Dutch, but it is often not very sustainable. Van Belzen: “It is better to put those bags in the more natural patterns of an oyster or mussel reef, because just like salt marshes, shellfish reefs also obey statistical rules to stand their ground. With natural patterns, there is the greatest chance of dampening the forces of the water, trapping silt and allowing plants to start growing again and adapt to rising sea levels.”

Strijd tussen land en zee volgt wiskundige wetten

Het verdwijnen van buitendijkse stukken natuur in de beukende golven, maar zeker ook het terugkeren van veerkrachtige natuur op de grens van land en water, houdt zich aan veel meer regels dan je op het eerste gezicht zou denken. Natuurbeheerders die deze wetmatigheden kennen, kunnen daar hun voordeel mee doen. Dat blijkt uit het proefschrift met de titel ‘Worstelen & Bovenkomen’, van NIOZ-onderzoeker Jim van Belzen, waar hij 8 september op zal promoveren aan de Universiteit Utrecht. “Ook wanneer je de natuur wilt inzetten bij nieuwe vormen van kustverdediging, komt deze kennis goed van pas.”

Kantelpunten

Van Belzen deed de afgelopen jaren onder andere onderzoek op de schorren langs de oevers van de Westerschelde. Daar keek hij naar de zogeheten kantelpunten die bestaan in het krachtenspel tussen golven, planten en slib. Van Belzen: “Een schor, zoals een kustmoeras in de Delta wordt genoemd, of een kwelder in het noorden van het land, remt de energie van de aanstormende golven en het getij. Daardoor beschermen die stukken buitendijks land met planten de dijken tegen de kracht van het water. Maar die golven kunnen de schorren en kwelders ook langzaam afbreken. Als de kracht van de golven te groot wordt of de stevigheid van de wortelmat van planten te gering, dan kantelen de verhoudingen en kan het land in zee verdwijnen.”

Voorspellen

Van Belzen ontdekte dat je zo’n kantelpunt tot op zekere hoogte kan zien aankomen. “De herstelkracht van de plantjes op de schorren is een belangrijke aanwijzing” schreef de onderzoeker al in 2017 in Nature Communications, het feitelijke startpunt van zijn promotieonderzoek. “Door in een experiment plantjes op een stuk schor weg te knippen en te kijken hoe snel ze weer terugkomen, kun je zien hoe groot de kans is dat zo’n stuk land tegen een kantelpunt aan zit. Hoe sneller de planten terugkomen, hoe veerkrachtiger het systeem.”

Niet de kwantiteit maar de kwaliteit

Van Belzen zag dat het lang niet altijd de schorren met de grootste hoeveelheid planten zijn, die de meeste veerkracht vertonen. “Het draait eerder om de kwaliteit dan om de kwantiteit”, zo vat Van Belzen dat samen. “We konden dat ook bevestigen met oude luchtfoto’s. Daarop keken we naar schorren langs de Westerschelde die de afgelopen decennia door stormen waren aangetast en hoe snel die weer terugkwamen. Het waren niet per sé de stukken met de meeste planten die het eerst weer terugkwamen.”

Systemen zonder kantelpunt

Niet alle schorren vertonen kantelpunten, zag Van Belzen. “In theorie zijn er ook schorren die gewoon steeds meer afkalven bij steeds grotere krachten van het water. Die groeien dan ook vanzelf weer aan, wanneer de kracht van het water afneemt. Natuurherstel is in zo’n geval relatief makkelijk.”

Een schorrensystem dat wél kantelpunten kent, herstelt vaak veel moeilijker. Want zoals er een kantelpunt is dat een stevig schor ‘ineens’ in zee laat verdwijnen, blijkt er vaak ook een kantelpunt voor het plotselinge herstel. Het ecosysteem begint pas weer te groeien als er veel kalmere condities zijn ontstaan voor jonge, meer kwetsbare, schorrenplanten. “Voor een goed beheer wil je dus graag weten of het ecosysteem kantelpunten heeft of niet. Juist die wetmatigheden in de herstelsnelheden van de planten en het slib aan de randen van schorren verklappen of zo’n schor wel of geen kantelpunten kent.”

Hulp bij natuurherstel en kustverdediging

Natuurbeheerders doen er goed aan zich in deze wetmatigheden van groei en krimp van schorren en kwelders te verdiepen, stelt Van Belzen. “Wanneer je de natuurlijke kustverdediging wilt verstevigen met een schor of een kwelder, zal je de natuur in sommige gevallen over zo’n kantelpunt moeten helpen. Ook daar komt weer kansrekening om de hoek kijken.”

Van Belzen ziet goede mogelijkheden om met kunstmatige structuren de groei van planten een steuntje in de rug geven. “Daarmee helpen we niet alleen natuurherstel, maar kunnen we de natuur ook inzetten om onze dijken beter te beschermen tegen de krachten van het water. Het best doe je dat met natuurlijke materialen en ook in natuurlijke patronen. Zomaar een rechte dijk maken van bijvoorbeeld zakken van vlas vol schelpenmateriaal is misschien wel heel Hollands, maar vaak niet zo duurzaam. Het is beter om bij het plaatsen van die zakken de natuurlijke patronen van een oester- of mosselrif te volgen, want ook oester- en mosselbanken blijken zich volgens statistische regels te organiseren. Dan is de kans het grootst dat de waterkracht wordt gedempt, slib wordt ingevangen en planten weer beginnen te groeien en mee kunnen bewegen met de stijgende zeespiegel.”