Over het archief
Het OWA, het open archief van het Waterbouwkundig Laboratorium heeft tot doel alle vrij toegankelijke onderzoeksresultaten van dit instituut in digitale vorm aan te bieden. Op die manier wil het de zichtbaarheid, verspreiding en gebruik van deze onderzoeksresultaten, alsook de wetenschappelijke communicatie maximaal bevorderen.
Dit archief wordt uitgebouwd en beheerd volgens de principes van de Open Access Movement, en het daaruit ontstane Open Archives Initiative.
Basisinformatie over ‘Open Access to scholarly information'.
Emergent properties of bio-physical self-organization in streams
|
| Abstract |
Zelforganisatie wordt in toenemende mate erkend als een belangrijk regulerendproces in ecosystemen. Veel studies naar zelforganisatie in de biologie hebben zichgericht op de emergente, d.w.z. spontaan verschijnende, effecten vanzelfgeorganiseerde ruimtelijke patronen op biologische eigenschappen, zoalsverhoogde productiviteit of veerkracht tegen verstoringen. Ondanks hetveelvuldig voorkomen in biologische theorieën is zelforganisatie nog nietuitgebreid onderzocht in geofysische studies. De meeste studies slagen er niet inde wisselwerking tussen biologische en fysische processen volledig in hetonderzoek mee te nemen. Hierdoor is onbekend of het zelforganisatieproces datvoortkomt uit deze terugkoppelingen ook emergente effecten heeft op zowelfysische als biologische eigenschappen. In dit proefschrift bestudeer ik, uitgaandvan onderwaterplanten in beken als modelsysteem, de emergente effecten vanzelforganisatie – ten gevolge van de tweezijdige interactie tussen plantengroei enherverdeling van waterstroming – op zowel hydrologische als ecologischeprocessen. In het bijzonder onderzoek ik de rol van zelforganisatie van zulkewaterplanten in termen van regulatie van de waterstroming (stroomsnelheid endiepte), biologische interacties (groei, verspreiding en ruimtelijkepatroonvorming) en opname van nutriënten. Mijn onderzoek combineertveldexperimenten en veldobservaties, stroomgootexperimenten in hetlaboratorium en wiskundige modellen.In Hoofdstuk 2 onderzoek ik of zelforganisatie, ten gevolge van detweezijdige interactie tussen plantengroei en herverdeling van waterstroming,emergente gevolgen heeft voor de hydrodynamiek op de schaal van de beek. Ineen gecombineerde wiskundige model- en empirische studie laat ik zien dat hetzelforganisatieproces heterogeniteit creëert in plantenbiomassa en waterstroming.Dit stabiliseert zowel stroomsnelheid als waterhoogte onder variabele rivierafvoer,met gunstige effecten op voor het ecosysteem. Mijn resultaten leggen daarom eenbelangrijke link bloot tussen plantgedreven zelforganisatieprocessen inbeekecosystemen en de ecosysteemdiensten die deze beken leveren in termen vanwaterstroomregulering en habitatdiversiteit.De in Hoofdstuk 2 bestudeerde regulering van de waterstroming dooronderwaterplanten wijst op belangrijke implicaties van plantgedrevenhydrodynamische heterogeniteit voor soorteninteracties en biodiversiteit. InHoofdstuk 3 onderzoek ik daarom de relatie tussen zelforganisatie en facilitatie.Modelvoorspellingen suggereren dat zelfgeorganiseerde patroonvorming de coexistentiebevordert van plantensoorten in leefgemeenschappen in stromend waterdoor een “landschap van facilitatie” te creëren. Hierin ontstaan meerdere nieuweniches voor soorten die zijn aangepast aan een breed scala aan hydrodynamischecondities. Modelvoorspellingen worden bevestigd door veldwaarnemingen vansamen voorkomende soorten en transplantatie-experimenten die de hypothese vanfacilitatie ondersteunen. Deze studie benadrukt dan ook dat begrip van de wijzewaarop competitie en facilitatie in veel ecosystemen met elkaar wisselwerkencruciaal is voor een succesvol beheer van biodiversiteit.Het zelforganisatieproces zoals beschreven in Hoofdstuk 2 en 3 is gebaseerdop het omleiden van waterstroming rond vegetatie. Omleiding van fysischekrachten is een algemeen mechanisme dat in veel ecosystemen ten grondslag ligtaan patroonvorming door soorten. Tot op heden is echter onbekend of deonderliggende mechanismen voor zelfgeorganiseerde ruimtelijke patroonvormingvan belang zijn voor het faciliteren van soortenvestiging. Het invangen vanplantpropagulen door reeds aanwezige vegetatie is een belangrijk knelpunt voorde vestiging van waterplanten in beken. De waterstroming is zowel hettransportmechanisme van plantpropagulen als de stressfactor die leidt totruimtelijke vegetatiepatronen. In Hoofdstuk 4 onderzoek ik de gevolgen van ditstromingsomleidingsmechanisme voor de facilitatie door het invangen vanpropagulen in reeds aanwezige plekken met vegetatie, gebruikmakend vanmesocosmos-, stroomgoot- en veldstudies. Mijn onderzoek suggereert datterugkoppeling tussen de herverdeling van vegetatie en de waterbeweging, wat totzelforganisatie leidt, de vestiging van waterplantensoorten kan vergemakkelijkentijdens hun verspreiding en eerste kolonisatie.In Hoofdstuk 5 test ik of het patroon van ruimtelijk verspreide patches vanwaterplanten, ten gevolge van de tweezijdige wisselwerking tussen vegetatie enhydrodynamiek, invloed heeft op de vegetatievestiging door facilitatie binneneenzelfde soort. Manipulatie-experimenten in het veld demonstreren dat vegetatiein beken zichzelf in V-vormen schikken om hydrodynamische krachten enweerstand te minimaliseren, vergelijkbaar met de vluchtformatie van trekvogels.Mijn bevindingen onderstrepen dat biofysische interacties vormgeven hoeorganismen zichzelf positioneren in landschappen blootgesteld aan fysischestromingen.In Hoofdstuk 6 verken ik ten slotte de emergente effecten vanzelfgeorganiseerde ruimtelijke patronen, ontstaan door verschillende soorten, opde grondstofopname. Veel studies aan plant-hydrodynamische terugkoppelingengaan uit van één plantensoort. Natuurlijke landschappen zijn echter diverseleefgemeenschappen bestaand uit plekken van verschillende soorten mettegengestelde eigenschappen. Deze plekken beïnvloeden elkaar mogelijk door hunhydrodynamische effecten, bijvoorbeeld door beïnvloeding van degrondstofopname, die cruciaal is voor de productiviteit. Mijn bevindingensuggereren dat plukken macroscopisch grote waterplantsoorten met elkaarwisselwerken door de grondstofopname te vergemakkelijken door de turbulentiete veranderen. Dit test ik aan de hand van experimenten in een rondlopendestroomgoot waarbij hydrodynamische metingen gecombineerd worden met 15Ngelabelde ammonium-incubaties. Mijn onderzoek toont het belang aan vanturbulentie als interactiemiddel tussen verschillende soorten. De bevindingensuggereren bovendien dat interacties tussen heterogeen verdeelde meersoortigeplukkerige vegetatie cruciaal zijn om het functioneren van het aquatischeecosysteem en de verdiensten van nutriëntenladingsvermindering te kunnenbegrijpen.Concluderend belicht mijn onderzoek de cruciale emergente effecten vanzelforganisatie op een breed scala aan fysische en biologische eigenschappen inecosystemen. Deze studie legt een tot nog toe onontdekt verband bloot tussenzelfgeorganiseerde biologische patronen en ecosysteemdiensten zoalsstromingsregulering, habitat- en soortendiversiteit. Begrip van de regulerende rolvan ruimtelijke zelforganisatie is essentieel voor het behoud van de waardevolleecosysteemdiensten die ze ondersteunt. In veel ecosystemen worden biofysischeinteracties nog altijd behandeld vanuit een statische benadering die de dynamischeterugkoppelingen niet volledig omvat. Toekomstige empirische- en modelstudiesnaar andere biogeomorfologische landschappen zouden moeten trachten dezewederzijdse terugkoppelingen verder mee te nemen. Dit zal bijdragen aan onsbegrip van het volledige scala aan emergente eigenschappen van ruimtelijkepatroonvorming in ecosystemen en bredere toepasbaarheid van de hiergepresenteerde conclusies. De bevindingen in dit proefschrift suggereren ook hoebiofysische interacties benut kunnen worden om beheer en herstel van aquatischeecosystemen te sturen. Zo kunnen onze fundamentele onderzoeksvragen overzelforganisatie direct gekoppeld worden aan toegepast onderzoek. Dergelijkekoppelingen zijn waardevol om beheer en behoud van ecosystemen in goedebanen te leiden. |
IMIS is ontwikkeld en wordt gehost door het VLIZ.
