Why some mangrove trees resist storms better than others

~~ scroll naar beneden voor Nederlands ~~ for Dutch scroll down ~~

Using mangrove forests in coastal flood protection

Van Hespen studied how mangrove forests can function as part of nature-based flood defense. This is an approach where natural ecosystems are combined with conventional safety structures like dykes and levees to protect the people that live behind them. Healthy mangrove forests maintain themselves and reduce the impact of coastal storms, by lessening the energy of storm waves that hit the mangrove stems, branches, and aerial roots. This means that levees may not need to be repaired quite as often.

However, the trees themselves can also get damaged. “We wanted to know how these trees hold up against storms, and if this differs between species”, Van Hespen explains her research question, formulated under the guidance of coastal ecologist Tjeerd Bouma and coastal physicist Zhan Hu, both experts in nature-based flood defense.

Not all forests are the same

Together they discovered that tree species do indeed differ in their ability to resist storms, so that not all forests are the same. “We knew that wide, dense forests reduce waves better than small or sparse forests, because there are simply more trees that the waves need to get past. With this new research, we’ve shown that the species that make up a forest also matter”.

It's easier to grow leaves than branches

To find out how much mangrove trees are damaged during coastal storms, Van Hespen and her team carried out a one-month field campaign to collect mangrove branches along the Pearl River Delta, a densely populated area in south China that harbors megacities like Guangzhou and Shenzhen. By breaking the branches in a machine, they found that that species that grew lower in the intertidal zone (where they are more exposed to wind and waves) had stronger branches but weaker leaves. “We don’t know for sure, but this could help to reduce the impact of storms. It is easier to regrow leaves than branches, so it’s better to drop the leaves during a storm than to lose a big branch.” 

3D printed mangrove trees

When the covid pandemic hit, Van Hespen had to relocate her research efforts from China to the Netherlands. “I had to be creative because mangroves are subtropical and tropical species. They don’t occur in the Netherlands”. As a solution, she decided to 3D-print small, ‘mimic’ trees to conduct more experiments.

With these 3D-printed mimics, Van Hespen studied tree stability. She wanted to find out how strong a storm should be to completely uproot a mangrove tree. Van Hespen also wanted to see if this is different for trees that grow in more sandy sediment, like you find on beaches, versus more muddy sediments. “I can’t confirm the details because the study is still under embargo, but it seems that the shape of the root system affects how stable the tree will be during a storm”.

Anchor fast or wash away

Van Hespen also studied how mangrove seedlings survive. In south China, young mangrove trees barely reach twenty centimeters in height in their first months. So, while they don’t contribute to flood defense at this size, they are essential to maintain a mangrove forest long-term and protect future generations against floods. When asked why she wanted to study seedlings, she answers: “Growing in the intertidal zone is really hard. These seedlings need to anchor their root fast in the soft mud, which is often washed away by incoming tides and waves. I wanted to see if some species are better at anchoring in this environment.”

Survival at the forest edge

With the help of her Chinese research team, Van Hespen constructed an outdoor lab before the pandemic hit to raise eight mangrove species. Seven months and two truckloads of mud later, they found that some species are indeed better at growing out their roots to anchor themselves. This may give them an advantage at the seaward forest edge, where exposure to waves and tides is higher than inside the forest. “It’s a cool finding because mangrove forests tend to expand in size at the seaward edge. Now we understand better what drives this seaward expansion.”

Safe coasts with mangrove forests

The data Van Hespen and her team collected have already been used to model how mangrove forests function in coastal storm protection. In the future, it can help to estimate how mangrove forests change over time. This helps coastal engineers to safely integrate mangrove forests in future nature-based flood defense.

Waarom sommige mangrovebomen beter zijn bestand tegen storm

De komende decennia zullen de kosten voor kustbescherming toenemen als de zeespiegel stijgt en stormpatronen veranderen. Om een oplossing te vinden onderzocht Rosanna van Hespen, ecoloog bij het Koninklijk Instituut voor Onderzoek der Zee (NIOZ), hoe mangrovebomen overleven in barre omstandigheden aan de kust en bijdragen aan kustbescherming. Met nepbomen en een veldcampagne langs de Zuid-Chinese Parelrivierdelta testten Van Hespen en haar team hoeveel wind en golven verschillende mangrovesoorten aankunnen. Van Hespen verdedigt haar proefschrift op woensdag 12 april aan de Universiteit Utrecht.

Mangrovebossen als onderdeel van kustbescherming

Van Hespen onderzocht hoe mangrovebossen functioneren in kustbescherming op basis van natuur. In deze aanpak worden natuurlijk ecosystemen gecombineerd met bijvoorbeeld dijken om het land en de mensen erachter te beschermen. Gezonde mangrovebossen herstellen zichzelf en kunnen de impact van een storm verminderen, doordat golven worden gedempt door de stammen, takken en bovengrondse wortels van mangrovebomen. Dit zorgt ervoor dat dijken minder vaak gerepareerd moeten worden.

Maar de bomen zelf kunnen ook beschadigd raken. “We wilden weten hoeveel storm deze mangrovebomen zelf aankunnen, en of we verschillen tussen soorten konden zien,” licht Van Hespen haar onderzoeksvraag toe, die ze formuleerde onder begeleiding van kustecoloog Tjeerd Bouma en kustfysicus Zhan Hu, beiden experts op het gebied van op-natuur-gebaseerde kustbescherming.

Niet alle bossen zijn hetzelfde

Ze ontdekten dat mangrovesoorten inderdaad verschillen in hun vermogen om stormen te weerstaan. "We wisten dat brede, dichtbeboste bossen beter golven dempen dan kleine of dunbeboste bossen, omdat er gewoon meer bomen zijn waar de golven langs moeten. Met dit nieuwe onderzoek hebben we aangetoond dat de soorten waaruit een bos bestaat er ook toe doen."

Bladeren zijn goedkoper dan takken

Om erachter te komen hoeveel schade mangrovebomen lijden tijdens een storm, verzamelden Van Hespen en haar team een maand lang takken langs de Parelrivierdelta, een dichtbevolkt gebied in het zuiden van China met megasteden als Guangzhou en Shenzhen. Door de takken in een machine te breken, ontdekten ze dat soorten die lager in het intergetijdengebied groeiden (waar ze meer worden blootgesteld aan wind en golven) sterkere takken hadden, maar zwakkere blaadjes. "We weten het niet zeker, maar mogelijk helpt dit de mangrovebomen om stormschade te beperken. Het kosten minder energie om bladeren dan takken, dus kun je als boom waarschijnlijk beter bladeren verliezen dan een grote tak.”

Nepbomen uit de 3D-printer

Toen de corona-pandemie begon was Van Hespen genoodzaakt haar onderzoek te verplaatsen van China naar Nederland. "Ik moest creatief zijn want mangrovebomen zijn subtropische en tropische soorten. Die komen hier in Nederland niet voor". Ze besloot om kleine nepbomen te 3D-printen. Hiermee wilde ze uitzoeken hoe sterk een storm moet zijn om een mangroveboom volledig te ontwortelen. Van Hespen wilde ook zien of dit anders is voor bomen die groeien in zand dan in modder. "Ik kan de details niet bevestigen omdat de studie nog onder embargo is, maar het lijkt erop dat de vorm van het wortelstelsel deels bepaalt hoe stabiel een mangroveboom is tijdens een storm."

Verankeren of wegspoelen

Van Hespen onderzocht ook hoe mangrovezaailingen overleven. In Zuid-China groeien jonge mangrovebomen in hun eerste maanden nauwelijks hoger dan twintig centimeter. Hoewel ze te klein zijn om al golven te kunnen dempen, zijn ze essentieel voor de lange termijn ontwikkeling van een bos en voor toekomstige kustbescherming. Op de vraag waarom ze zaailingen wilde bestuderen, antwoordt ze: "Groeien is echt moeilijk in het intergetijdengebied. Zaailingen moeten hun wortels stevig verankeren in zachte modder, terwijl die continue wordt weggespoeld door inkomende golven en getijden. Ik wilde zien of sommige soorten hier beter in zijn."

Overleven aan de bosrand

Met de hulp van haar Chinese onderzoeksteam bouwde Van Hespen vóór de coronapandemie een buitenlab om acht mangrovesoorten op te kweken. Zeven maanden en twee vrachtladingen modder later ontdekten ze dat sommige soorten hun wortels inderdaad sneller verankeren. Dit geeft ze mogelijk een voordeel aan de zeekant van het bos, waar de impact van golven en getijden sterker is. “Het is een interessante vondst omdat mangrovebossen breder worden als zaailingen zich vestigingen aan de bosranden. Nu snappen we beter hoe die vestiging werkt.”

Veilige kusten met mangrovebossen

De gegevens die Van Hespen en haar team hebben verzameld, zijn al gebruikt om te modelleren hoe mangrovebossen functioneren tijdens kuststormen. De gegevens kunnen ook helpen om te bepalen hoe mangrovebossen in de loop van de tijd veranderen. Dit helpt kustingenieurs om mangrovebossen veilig te integreren in toekomstige kustbescherming op basis van natuur.