Ruimtelijke Ecologie

Estuariene landschappen worden gevormd door de interactie tussen biologische en fysische processen. Schorplanten dempen golven en remmen stroming af, waardoor sediment kan neerslaan en blijven liggen. Maar door het afremmen van de stroming boven de vegetatie, wordt ze versneld in kreken. Dit resulteert uiteindelijk in de ruimtelijk gestructureerde vorming van oeverwalkreken in het schorlandschap.

Wij onderzoeken deze biofysische interacties en hun betekenis voor de samenstelling van leefgemeenschappen en het functioneren van het ecosysteem. We gebruiken schorren, mosselbedden, kiezelwiermatten, zeegrasbedden en andere estuariene ecosystemen als een model, maar proberen tegelijkertijd uit deze onderzoeken meer algemene concepten te halen, die vaker toegepast kunnen worden in ecosystemen in het algemeen.

Doelen van het onderzoeksprogramma

Beschrijven, begrijpen en modelleren van de interactie tussen fysische en biologische krachten die leiden tot de vorming van estuariene landschappen.
onderzoeken hoe deze biologisch-fysisch gevormde landschapsstructuur de intra- en interspecifieke relaties tussen dominante organismen beïnvloedt en de biodiversiteit en de eigenschappen van systemen bepaalt, zoals veerkracht, stabiliteit en productiviteit.
onze kennis vergroten van hoe biocomplexiteit de dynamiek bepaalt tussen populaties, gemeenschappen en ecosystemen en andere ecosystemen.
deze fundamentele kennis gebruiken om de anthropogene druk op estuariene systemen te evalueren, door het ontwikkelen van de juiste indicatoren en voorspellende hulpmiddelen.

Onderzoeksthema's

Thema 1: Ruimtelijke zelf-organisatie in estuaria

Op de grote schaal van geulen en platen, wordt het estuariene landschap vooral door de fysische krachten van stroming en golven bepaald. Op kleinere schaal echter, zien we een toenemende invloed van biologische processen op de vorming van het landschap. Organismen beïnvloeden de samenstelling van sediment door het mengen van zand en slib, het bevorderen of verhinderen van sedimentatie of erosie, het dempen van golven en stroming. Hierdoor vertoont het landschap de invloed van zowel biologische, fysische als geologische processen.

In de afgelopen jaren hebben we in het bijzonder de processen van zelf-organisatie onderzocht. Vaak ontstaan grootschalige patronen in het landschap als gevolg van interacties op kleine schaat tussen individuen onderling en tussen die individuen en hun omgeving. Voorbeelden zijn mosselbedden en schorren, maar ook op getijdenplaten en in zeegrasvelden bestuderen wij deze fenomenen. Daarbij gaat onze aandacht in het bijzonder uit naar hoe organismen de stroming van water en sediment beïnvloeden. Remote sensing en GIS worden gebruikt om overzichtsbeelden te verkrijgen van de ruimtelijke structuur en worden gekoppeld aan de uitkomst van de modelberekeningen. Veldexperimenten zijn een belangrijk middel om inzicht te krijgen in de processen.

In eerste instantie waren we het meest gefascineerd door de verschijning van regelmatig gevormde patronen. Maar op dit moment verschuift onze interesse naar de meer algemene kwestie van zelf-organisatie van bio-fysische systemen onder invloed van (fysische) elementen. Zo willen we bijvoorbeeld onderzoeken hoe zeegrasbedden en oesterbanken zichzelf organiseren onder invloed van stroming en golfslag en hoe hun aanwezigheid de uitwisseling van voedsel en nutriënten tussen land en zee beïnvloedt.

Ruimtelijke zelforganisatie van mosselen.

1750 individuele mosselen, gelijkmatig verspreid op de bodem van een aquarium organiseren zich in een patroon dat sterke gelijkenis vertoont met mosselbanken in de natuur.
Naar:
Van de Koppel, J., Gascoigne, J.C., Theraulaz, G., Rietkerk, M., Mooij W.M., & Herman, P.M.J. 2008 Experimental evidence for spatial self-organization and its emergent effects in mussel beds. Science 322:739-742.

Thema 2: Estuariene populaties als biobouwers

Estuariene systemen organiseren zichzelf omdat organismen hun omgeving 'construeren': ze treden op als biobouwers (‘ecosystem engineers’ in het Engels). Bijvoorbeeld: schorplanten in een nieuw ontstane vegetatie zijn erg effectief in het remmen van golven en stromingen, zodat er betere leefcondities ontstaan tussen dichte graspollen. Wij onderzoeken welke morfologische en ecologische eigenschappen (zoals stengelsterkte, plantdichtheid) bijdragen tot de ‘ecosysteem engineering’ capaciteit van een soort. We vragen ons af of een soort daar beter of zwakker van wordt. Hoe wegen voor- en nadelen van een kenmerk als ‘stijve stengel’ tegen elkaar af, en hangt dat ook af van externe omstandigheden?

Zowel in het laboratorium, vooral in onze stroomgoot, als in het veld meten wij stroomsnelheid, turbulentie, stabiliteit van het sediment en andere fysische eigenschappen om de interactie tussen organismen en stromingen of golven te omschrijven. Daarnaast meten we aan de organismen zelf. Waar overleven ze, hoe snel groeien ze, waar komen ze voor en hoe hangt dat af van fysische factoren? Of zijn ze net afhankelijk van de andere biobouwers: kan een soort de ontwikkeling van een andere soort faciliteren of hinderen via het milieu? En hoe verloopt dit proces na langere tijd? Een positief effect op korte termijn kan op lange termijn misschien juist remmend werken. Als we hypothesen hebben geformuleerd over hoe dit werkt, dan testen we deze in veldexperimenten waar we de omstandigheden zelf manipuleren. En we toetsen onze hypotheses ook in de computer, door in modellen door te rekenen waartoe een bepaald mechanisme aanleiding kan geven in het landschap.

Thema 3: Effectieve indicatoren voor ‘een gezond ecosysteem' in estuaria

Met de EU Water Framework Directive (voor estuaria en de kustlijn) en de EU Maritime Strategy (voor Exclusive Economic Zones en open wateren), is de boordeling van ‘ecosysteem gezondheid ’ die vooral gebaseerd is op de aanwezigheid van bepaalde (indicator’)soorten, van groot belang gebleken voor de samenleving. Deze indicatoren hebben echter de neiging voorbij te gaan aan het belang van ruimtelijk variatie in estuariene leefomgevingen op verschillende niveaus, evenals de mogelijke effecten van organismen op de natuurlijke structuur.

Wij ontwikkelen technieken om deze factoren wel mee te laten wegen in het indicatorsysteem, inclusief de interacties tussen organismen en de onderliggende natuurlijke processen. Het is ons doel om tot een betere definiëring te komen van de te verwachten ecosysteemstructuur in ongerepte systemen, als een soort meetlat voor recent waargenomen situaties. Daarvoor gebruiken wij de modellen en observaties uit ons eigen onderzoek. We ontwikkelen ook observatiesystemen (bv. satellietobservatie gecombineerd met veldbemonstering) om op efficiënte wijze de indicatoren te kunnen inschatten.

Ruimtelijke zelf-organisatie van mosselen

Bekijk hier hoe 1750 individuele mosselen zich ruimtelijk organiseren nadat ze homogeen zijn verdeeld over de bodem van een aquarium. 'Ruimtelijke zelf-organisatie' is de belangrijkste theorie voor het mondiaal voorkomen van regelmatige of anderszins samenhangende patronen in ecosystemen. Onder laboratoriumomstandigheden ontwikkelen de mosselen een patroon dat gelijk is aan de patronen die ze in het veld vertonen. Een model dat is gebaseerd op een enkele mossel laat zien dat het waargenomen patroon verklaard kan worden door de interacties tussen individuen.