Jan Staes, Dirk Vrebos, Sander Jacobs (UA-ECOBE)
4. R IVIERHERSTEL EN MAXIMALISEREN VAN E COSYSTEEMDIENSTEN
4.4. Vrije ontwikkeling van waterplanten als zelfregulerend proces
De meeste waterplanten ontwikkelen zich in stromende wateren onder de vorm van patches. Dergelijke groeivormen vertonen zelforganiserende patronen die mogelijk belangrijke ecosysteemdiensten leveren. Door hun groei vergroten ze de stromingsweerstand, waardoor waterpeilen opgestuwd worden. Groei van macrofyten wordt in de eerste plaats bevorderd door zonlicht en temperatuur maar ook door eutrofie en lage debieten. Dergelijke omstandigheden van lage debieten en hoge nutriëntenbelasting bevorderen de groei van macrofyten. Er ontstaat dus een natuurlijke terugkoppeling die ervoor zorgt dat water wordt opgehouden bij aanhoudende lage debieten. Op deze manier wordt water vastgehouden in de aanloop naar kritisch lage debieten (Fig. 1.12). Door de verhoogde waterpeilen en lagere debieten, neemt de verblijftijd van het oppervlaktewater toe en worden zelfzuiverende processen zoals denitrificatie en sedimentatie bevorderd. Door de waterpeilstijging neemt de drainerende capaciteit van de waterloop af en wordt denitrificatie en opname van nutriënten door planten bevorderd – enerzijds door een grotere waterverzadigde zone en anderzijds door langere verblijftijden.
De groei van de macrofytenpatch is in principe in de lengte gelimiteerd door de nutriëntenbeschikbaarheid. Aan het begin van de patch zijn er meer nutriënten beschikbaar dan achteraan de patch. De patch is in staat om aan sediment geadsorbeerde nutrienten te vangen door sedimentatie in de patch. De breedte van de patch is gelimiteerd door de stroomsnelheid. Door de groei van verschillende patches, neemt de stroomsnelheid tussen de patches toe tot op een punt dat vestiging van nieuwe scheuten onmogelijk wordt. Naast de patch schuurt zich een stromingspad uit. In de patch vindt sedimentatie plaats waardoor deze ondieper wordt en doen zich intense biochemische processen voor die ondersteund worden door een diverse macrobiotische fauna. Dergelijke processen zijn dus bevorderlijk voor de structuurdiversiteit, biodiversiteit en de nutriëntencyclering.
Niettemin kan de ontwikkeling van macrofyten leiden tot problemen met afvoer van water. Door een teveel aan nutriënten, een structurele overdimensionering en een initieel gebrek aan structuurdiversiteit ontwikkelen dergelijke patches zich at random en worden ze niet gelimiteerd door stroomsnelheden tussen patches noch door nutriëntenbeschikbaarheid. Fosfaat zou limiterend moeten zijn, maar is het niet omwille van de hoge concentraties. Er zijn immers geen differentiërende factoren voor vegetatie-ontwikkeling. Er zullen zich geen preferentiële stroompaden ontwikkelen en de rivier wordt op den duur geblokkeerd door een enorme massa waterplanten. Bij zomerstormen doet zich in dat geval een afvoerprobleem voor en kunnen lokale ongewenste overstromingen zich voordoen.
Daarnaast zal dit fenomeen net bevorderd worden waar waterlopen landbouwgebieden doorkruisen en overstromingen ongewenst zijn. In dergelijke gebieden zijn waterlopen structureel rechtgetrokken en overgedimensioneerd (lage stroomsnelheden), is er een continue toevoer van nutriënten door drainagewater van het landbouwgebied en is er veel zonlicht door de afwezigheid van hoge oeverbegroeiing. Vanuit een systeemperspectief probeert macrofytenontwikkeling enkel natuurlijke evenwichten te herstellen (nutrientenverwijdering, waterretentie).
Seasonal changes in macrophyte biomass, manning and residence time for the AA stream ecosystem (1450m long, 15 m wide, average depth 1 m) with a constant discharge of 1 m3/s
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 50 100 150 200 250 300 350 tim e [day] m ac ro p h yt e b io m as s [k g /m 2] o r m an n in g [ m -1 /3 .s ] 5 6 7 8 9 10 re sid en ce ti m e [ h o u r] Macrophyte Biomass Manning Residence time
Figuur 1.12: Effect van macrofyten (biomassa) op de stromingsweerstand en hydraulische verblijftijd doorheen het jaar
Omwille van deze problemen wordt vaak overgegaan tot kruidruimingen. Dit heeft echter adverse effecten. Door kruidruimingen worden soorten bevorderd die snel regenereren (oa door hun wortelstelsel). Dergelijke soorten hebben de neiging sneller en denser te groeien en op termijn de problematiek te verergeren. De soortsamenstelling bepaalt immers voor een groot deel de
non-lineariteit van de stromingsweerstand in functie van de stroomsnelheid. Emergente soorten (die boven het wateroppervlak uitsteken) vertonen een sterk stijgende stromingsweerstand bij stijgende stroomsnelheid (debiet). Deze niet-lineare relatie is in veel mindere mate aanwezig bij submerse soorten (die onderwater blijven) en drijvende soorten. Bij hogere stroomsnelheden worden ze platgedrukt tegen de waterbodem of breken hun stengels. Het spreekt voor zich dat net deze soorten zwaar lijden onder kruidruimingen omdat ze minder robust zijn.
De oplossing ligt deels in het maaien in blokpatronen, waardoor zich een stroompad kan ontwikkelen. Het creëren van structuurdiversiteit (hermeandering, installeren van een zomer en winterbedding) zal echter een meer duurzame en goedkopere oplossing zijn dan dergelijke complexe maaipatronen. Indien men consequent dezelfde blokmaaipatronen zou aanhouden, ontwikkelt zich op lange termijn immers een spontane hermeandering.
Indirect hebben dus zowel lage debieten als een verhoogde nutriënteninput een invloed op de groei van macrofyten. Tijdens perioden van laag en constant debiet, kunnen macrofyten zich maximaal ontwikkelen en fungeren ze als een natuurlijk retentie mechanisme. Door hun groei vergroten ze de stromingsweerstand en verhogen ze de opvoerhoogte van het rivierwater. Zo verlagen ze de drainage door de rivier en zal de impact van droogte op landbouw en natuur verminderen. Gezien de voorspelde toename van lage debieten door klimaatverandering is het in de toekomst wellicht af te wegen of men schade riskeert door overstromingen, dan wel door aanhoudende droogte. De retentie-effecten voor sedimenten en nutriënten op bekkenschaal door algemene waterpeilverhogingen zijn aanzienlijk. De zelfzuiverende eigenschappen worden op verschillende manieren bevorderd (Fig. 1.13).
• De opname van nutriënten door de waterplanten gebeurt op een moment dat
benedenstroomse ecosystemen gevoelig zijn voor eutrofiëring en daarmee gepaarde algengroei.
• Afbraak van organisch materiaal van de dode planten gebeurt voornamelijk in de lente omdat
er dan meer macro-invertebraten actief zijn. Er zijn ook verschillen in afbraaksnelheid tussen macrofytensoorten. Snelle afbraak kan snelle groei in de lente bevorderen.
• Verwijdering van waterplanten door kruidruimingen op het einde van het groeiseizoen zal de
vrijstelling van nutriënten in de lente verminderen.
• De bevordering van sedimentatie, biochemische omzettingen en denitrificatie in de patch zelf.
• Toename van de zuurstofconcentratie in het oppervlaktewater door fotosynthese van de waterplanten – dit bevordert potentiëel denitrificatie door versterking van de gradiënt tussen zuurstofrijk oppervlaktewater en zuurstofarme condities in de oeverzones en de waterbodem. Deze verhoogde zuurstofbeschikbaarheid zal ook de microbiële degradatie van organisch materiaal verhogen.
• Een betere zuurstofhuishouding heeft een positieve invloed op de bentische fauna, zowel naar omvang als naar diversiteit. Hun aanwezigheid in de slibrijke macrofytenpatches en oeverzones zorgen voor een verhoogd contactoppervlak voor denitrificatie door bioturbatie (graven van gangen).
• Een toename van de oppervlakte aan waterverzadigde zones (oevers, zijbeken, vallei) door opstuwing van grondwater.
• Een toename van de verblijftijd van grondwater in dergelijke zones, door de verminderde drainagepotentiaal.
Figuur 1.13: Interacties van macrofytenvegetaties met hydrologie en nutriëntenhuishouding