Stronger storms free more nutrients from mud flats

~ For Dutch, scroll down ~

Inflatable couch 

For her experiments, Rios-Yunes spent many hours on an inflatable couch on the dry bottom of the Wester- and the Oosterschelde. “I mimicked a storm on the mud, using a bucket without a bottom and a big blender, stirring up the mud and measuring the release or the uptake of nitrogen and phosphorous. But, since I needed to do this for six hours in a row, I rapidly found out that I needed a little bit of comfort, sitting on the mud. The inflatable couch was my life saver during the field work”, she says jokingly. 

As frivolous as it may seem - mixing mud in an open bucket - this experiment is indeed a good model for a real storm, Rios-Yunes emphasizes. "We only mixed the top millimeters to a maximum of three centimeters of the sediment, whereas a real storm can stir up the soil to 20 cm deep. Also, the speeds of our mixer were lower than what sometimes happens in real life during a severe storm. Reality can, therefore, be more severe than out experimental set-up."

More Nitrogen, less Phosphorous 

Rios-Yunes found out that considerable amounts of nitrogen are released when her experimental storm stirs the bottom. “In just a couple of hours, the amount of nitrogen that is normally released in weeks, may come out of the mud during one storm. This means that much more nutrients become available in the water column, and these could be used by algae to grow.” Phosphorous, on the other hand, was taken up during the ‘storm’ in the Eastern Scheldt but released in the Western Scheldt. “This may be because of the differences in chemical composition of the mud between an estuary and a tidal bay.”

Ecosystem services 

By storing nutrients such as nitrogen and phosphorus, the sediments of the Eastern - and Western Scheldt, among others, provide a valuable ‘ecosystem service’. Without the storage of these fertilizers in the soil, even more nitrogen would be released into the environment, while this is already problematic. But this ecosystem service is under increasing pressure, Rios-Yunes explains. For example, the coast of the Eastern Scheldt is relatively important for the storage of nutrients, compared to the subtidal sea bottom. But due to the Eastern Scheldt storm surge barrier and also with rising sea levels in the future, the coast of the Eastern Scheldt is ‘eaten by the currents’. “Therefore, relatively large amounts of nutrients may become available for algae and other organisms.” 

Equilibria 

Temperature and salinity, as well as benthic animals also influence the chemistry of the tidal sea floor. “But these phenomena have not been studied a lot, so far”, Rios-Yunes says. “For fundamental research into the dynamics of nutrients and other equilibria in tidal areas, it is very important to understand the role of temperature, salinity, and benthic animals, like worms or bivalves, and also turmoil by storms.” 

Coastal squeeze 

Policy makers and keepers of natural areas like the Eastern Scheldt should also understand the dynamics of nutrients in a changing world, Rios-Yunes says. “My research stresses the importance to keep the coast of these tidal areas in a good condition, and thus avoid losing the valuable ecosystem services they provide.”

Temporary effects
"Rios-Yunes' research makes an important contribution to the understanding of nutrient cycles in tidal regions", says the promotor of this PhD-research, Karline Soetaert, professor of geochemistry at Utrecht University and researcher at NIOZ in Yerseke. Soetaert stresses that nitrogen fluxes from tidal sediments do not play a structural role in the current nitrogen crisis. "Storms can cause nutrients to be released earlier into the water, but in the long term these will not be a structural source of nitrogen."

Stormen maken voedingsstoffen vrij uit wadbodems 

Als stormen in de toekomst sterker worden door het veranderende klimaat, kan er tijdelijk meer stikstof vrijkomen uit de bodem van getijdegebieden in de Ooster- en Westerschelde. Dat blijkt uit promotieonderzoek van marien biogeochemicus Dunia Rios-Yunes aan het Koninklijk Nederlands Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ) in Yerseke. Rios-Yunes verdedigt op 1 maart haar proefschrift aan de Universiteit Utrecht. "De dynamiek van voedingsstoffen in de bodems van delta's en estuaria is tot nu toe een beetje een blinde vlek geweest voor de mariene wetenschap", zegt ze. 

Mixen op een opblaasbare bank
Voor haar experimenten bracht Rios-Yunes vele uren door op een opblaasbare bank op de drooggevallen bodems van de Wester- en Oosterschelde. "In een emmer zonder bodem en met een grote mixer, bootste ik een storm na op de modder. Tijdens het mixen van de modder kon ik de vrijkomende of opgenomen stikstof en fosfor meten. Maar omdat ik dit zes uur achter elkaar moest doen, kwam ik er al snel achter dat ik een beetje comfort nodig had bij het werk in de modder. Die opblaasbare bank was mijn redder in nood tijdens het veldwerk", zegt ze gekscherend.
Hoe frivool het ook mag lijken – modder mixen in een open emmer – dit experiment is wel degelijk een goed model voor een echte storm, benadrukt Rios-Yunes. “Wij mixten alleen de bovenste millimeters tot maximaal drie centimeter van de bodem, terwijl een echte storm de bodem tot wel 20 cm diep kan klutsen. Ook de snelheden van onze mixer waren lager dan wat er soms in het echte leven gebeurt tijdens een zware storm. De realiteit kan dus nog serieuzer zijn dan onze experimenten.”

Meer stikstof, minder fosfor
Rios-Yunes ontdekte dat er aanzienlijke hoeveelheden stikstof vrijkwamen tijdens haar experimentele storm. "In slechts een paar uur tijd kan de hoeveelheid stikstof die normaal gesproken in weken vrijkomt, door één storm uit de modder komen. Dit betekent dat er veel meer voedingsstoffen beschikbaar komen in de waterkolom. Algen kunnen die gebruiken om te groeien." Fosfor daarentegen werd tijdens de 'storm' in de Oosterschelde extra opgenomen, terwijl het bij de experimenten in de Westerschelde juist vrijkwam. "Dit kan komen door de verschillen in chemische samenstelling van het slib tussen een estuarium als de Oosterschelde en een getijdenbaai als de Westerschelde.”

Ecosysteemdiensten
Met de opslag van voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor, leveren de bodems van onder andere de Ooster- en Westerschelde een waardevolle ‘ecosysteemdienst’. Zonder de opslag van deze ‘meststoffen’ in de bodem, zou er nog meer stikstof in het milieu vrijkomen, terwijl dat nu al een probleem vormt. Maar deze ecosysteemdienst staat onder toenemende druk, legt Rios-Yunes uit. Zo is de Oosterschelde relatief belangrijk voor de opslag van voedingsstoffen, vergeleken met zeebodems die nooit droogvallen. Maar door de Oosterscheldekering en ook door de toekomstige zeespiegelstijging wordt de kust van de Oosterschelde 'opgegeten door de stroming'. “Daardoor kunnen tijdelijk relatief grote hoeveelheden extra stikstof beschikbaar komen voor algen en andere organismen, waardoor het systeem ‘overbemest’ kan raken."

Evenwichten
Behalve stormen, beïnvloeden ook temperatuur en zoutgehalte, en ook bodemdieren de chemie in de bodem van getijdengebieden. "Maar al deze effecten zijn tot nu toe nog niet veel bestudeerd", zegt Rios-Yunes. "Voor fundamenteel onderzoek naar de dynamiek van voedingsstoffen en andere evenwichten in getijdengebieden is het heel belangrijk om de rol van temperatuur, zoutgehalte, en ook bodemdieren als schelpen en wormen, en dus ook de onrust door stormen te begrijpen."

Kust in de knel
Ook beleidmakers en beheerders van natuurgebieden zoals de Oosterschelde zouden de dynamiek van voedingsstoffen in een veranderende wereld beter moeten begrijpen, vindt Rios-Yunes. "Mijn onderzoek benadrukt het belang om de kust van deze getijdengebieden in een goede conditie te houden en zo te voorkomen dat de waardevolle ecosysteemdiensten die ze leveren, verloren gaan.”

Tijdelijk effect
“Het onderzoek van Rios-Yunes levert een belangrijke bijdrage aan het begrip van de voedselkringlopen in getijdegebieden.” Dat zegt de promotor van het proefschrift, professor Karline Soetaert, hoogleraar geochemie aan de Universiteit Utrecht en onderzoeker aan het NIOZ in Yerseke. Soetaert benadrukt wel dat de stikstofstromen uit getijdebodems geen structurele rol spelen in de huidige stikstofcrisis. “Stormen kunnen ervoor zorgen dat voedingsstoffen eerder vrijkomen in het water, maar op de lange termijn zijn deze bodems geen bron van stikstof.”