Schorren kwetsbaarder door zeespiegelstijging
Door zeespiegelstijging neemt de druk op schorren toe waarmee belangrijke ecosysteemdiensten, zoals de golfdempende werking, opslag van CO2 en paai- en rustgebieden voor vissen en vogels, verdwijnen. “Tot op zekere hoogte zorgen schorreplanten er zelf voor dat de negatieve effecten van zeespiegelstijging weer teniet worden gedaan, door slib in te vangen”, vertelt Jim van Belzen, de leider van het onderzoek. “Echter, wanneer de zeespiegel te snel verandert kan de veerkracht van het schor dusdanig verminderen dat een kleinere verstoring, door b.v. een storm, al genoeg is om de balans om te laten slaan en het schor een kantelpunt over te duwen. Het schor verdwijnt dan en een kaal slik blijft achter.”  Van Belzen gaat verder: “Het mooie van onze bevindingen is dat we nu een indicator hebben om een vinger aan de pols te houden om dergelijke omslagen aan te zien komen. Dit is een belangrijke stap waardoor we maatregelen kunnen treffen wanneer dit nodig is.”

Zelfversterkende processen
Kantelpunten komen voor in verschillende complexe systemen, zoals ecosystemen, het klimaat en de financiële sector. Ze ontstaan wanneer processen zichzelf versterken, bijvoorbeeld om het systeem te stabiliseren. “In schorren vangen schorreplanten zand en slib in”, vertelt Jim van Belzen. “Hierdoor verbeteren de schorreplanten hun eigen omstandigheden. Ze staan minder lang in het zoute zeewater en gaan beter groeien. Dat zorgt er op haar beurt weer voor dat meer sediment ingevangen wordt.” In andere complexe systemen zien we vergelijkbare zichzelf versterkende mechanismen. Zoals in het klimaat of onze samenleving. "Zulke processen worden in steeds meer complexe systemen herkend als een belangrijke eigenschap die de stabiliteit verbetert", zegt van Belzen. "Een nadeel is echter dat, wanneer de druk op zulke systemen te groot wordt, ze abrupt kunnen omslaan naar een andere toestand. Vaak met verlies aan belangrijke functies en herstel is dan erg lastig".

Indicatoren voor veerkracht
Door de zelfversterkende processen wordt het ook lastiger te zien hoe veerkrachtig zo’n complex systeem nog is. De gebruikelijke indicatoren voor het meten van de ‘gezondheid’ van b.v. ecosystemen, zoals de hoeveelheid of het aantal soorten planten, is dan geen betrouwbare indicator meer. Wiskundige modellen voorspellen dat de snelheid waarmee een complex systeem herstelt van kleine verstoringen een goed alternatief waarschuwingssignaal is dat aangeeft wanneer de druk op een complex systeem toeneemt en een kantelpunt nabij is. Dergelijke signalen zijn inmiddels waargenomen onder gecontroleerde omstandigheden in het laboratorium. Maar de directe waarneming van het afnemen van de herstelsnelheid was nog niet eerder op deze schaal in de praktijk in een echt ecosysteem waargenomen. De onderzoekers laten zien dat de afname zowel in tijdreeksen van luchtfoto’s terug te vinden is, als experimenteel in het veld op verschillende schorren langs de Westerschelde en de Verenigde Staten. Hierdoor wordt het mogelijk om door middel van satelliet- en luchtfoto’s of simpele experimenten in het veld veranderingen in de veerkracht van deze belangrijke kustecosystemen waar te nemen.
 

Artikel: van Belzen, J., van de Koppel, J., Kirwan, M.L., van der Wal, D., Herman, P.M.J., Dakos, V., Kéfi, S., Scheffer, M., Guntenspergen, G.R., Bouma, T.J. (2017). Vegetation recovery in tidal marshes reveals critical slowing down under increased inundation. Nature Communications 15811. 

~~ENGLISH VERSION~~

Slower recovery forewarns tipping points in salt marsh ecosystems

Ecosystems can suddenly collapse when the pressure becomes too high. For this reason, predicting such tipping points is very important. Mathematical models have shown that there may be warning signs. An international team of researchers led by the Dutch NIOZ now shows that when the recovery of salt marshes slows down, a tipping point of this ecosystem is imminent.  So when seemingly healthy salt marshes have trouble overcoming minor disturbances, this is a bad omen:  the important ecological and coastal protection features of these areas may be under serious threat.

Salt marshes vulnerable to sea level rise
Sea level rise increases the pressure on salt marshes, which can result in the loss of important ecosystem services, such as the wave damping effect, storage of CO2, and resting and breeding grounds for fish and birds. "To some extent, salt marsh plants adapt to and mediate the negative effects of sea level rise themselves.", says Jim van Belzen, the leader of the research. "However, when the sea level changes too quickly, the resilience of the salt marsh can become too low and even a minor disturbance like a storm, can be enough to push the ecosystem beyond the tipping point. The tidal marsh collapses and disappears, leaving a bare mudflat behind. " Van Belzen continues: "Our findings allow us to use the rate at which salt marshes recover from small perturbations as an important indicator to foresee such tipping points. This is a major step in keeping an eye on these important coastal ecosystems and taking precautions if necessary. "

Self-reinforcing feedbacks
Tipping points occur in various complex systems, such as ecosystems, the climate and the financial sector, and tend to arise when a process reinforces itself, to stabilize the system for instance. "Salt marsh vegetation reduces currents and waves, and accumulates sand and clay as a result," says Jim van Belzen. "In this way, a salt marsh plant improves its own condition: it becomes less inundated by salty sea water and therefore it grows better. This, in turn, results in more sediment capture." In other complex systems, such as the climate or society, we see similar self-reinforcing feedbacks that can result in tipping points. "Such processes are increasingly recognized in various complex systems as an important characteristic that improves stability." Van Belzen says, "However, on the downside: when the pressure on a system becomes too large, it can tip abruptly. Such a tipping point results in significant loss of important functions and recovery is often very difficult.”

Indicators of resilience
Yet, these self-reinforcing feedbacks also make it more difficult to see how resilient such a complex system is. The usual indicators for measuring the "health" of ecosystems, such as the total amount or number of plant species, are no longer reliable. However, mathematical models predict that the speed at which a complex system recovers from small perturbations is a good alternative warning signal that indicates when the pressure on a complex system increases and a tipping point is near. Indeed, such signals have been observed under controlled conditions in the laboratory. Yet, the direct observation of this phenomenon in a real ecosystem had not been done before. The researchers observed that the slowing down can be measured both in time series of aerial photographs, and field experiments at different salt marshes in the Netherlands and the United States.

Scientific publication:
van Belzen, J., van de Koppel, J., Kirwan, M.L., van der Wal, D., Herman, P.M.J., Dakos, V., Kéfi, S., Scheffer, M., Guntenspergen, G.R., Bouma, T.J. (2017) “ Vegetation recovery in tidal marshes reveals critical slowing down under increased inundation” Nature Communications, doi: 10.1038/NCOMMS15811