Vlekjes groen

Een terugkoppelingsmechanisme van vegetatie en regenval bepaalt de begroeiing in semi-aride gebieden. Net als zebrastrepen en luipaardvlekken laat het patroon zich wiskundig beschrijven.

`Patronen in de plantengroei zijn een soort vingerafdruk van een gebied. Ze vertellen iets over de ecologische processen die er plaatsvinden. Met ons model zijn we nu voor het eerst in staat om die tekens te interpreteren.' Max Rietkerk is als wetenschappelijk onderzoeker verbonden aan het Copernicus Instituut voor Duurzame Ontwikkeling en Innovatie van de Universiteit Utrecht. Hij probeert de effecten van menselijk handelen op ecosystemen en het milieu in kaart te brengen. Daarbij richt hij zich vooral op die gebieden in de wereld waar kale grond en stukken vegetatie elkaar afwisselen in grillige, maar soms ook opvallend regelmatige patronen. Deze semi-aride gebieden bedekken zo'n 30% van het totale landoppervlak: van West-Afrika tot Australië.

Binnenkort publiceert Rietkerk in het tijdschrift The American Naturalist (oktober 2002) een model dat de vorming en dynamiek van vegetatiepatronen in dergelijke gebieden beschrijft. Rietkerk: ``Als je begrijpt hoe bepaalde vegetatiepatronen ontstaan, biedt dat je tegelijkertijd een handvat om te voorspellen wat het effect is van droogtes of verarming van de bodem en kun je woestijnvorming beter begrijpen en dus voorkomen.''

Het model dat Rietkerk hiervoor opstelde (samen met collega's van het Nederlands Instituut voor Ecologisch Onderzoek en de universiteiten van Amsterdam en Wageningen) is gebaseerd op de ideeën van de Engelse wiskundige Alan Turing. Die ontwikkelde begin jaren vijftig als eerste een theorie om de enorme rijkdom aan patronen in het dierenrijk te verklaren: van de strepen van de zebra tot de vlekken van de giraf. Zijn idee was dat deze patronen het resultaat zijn van concentratieverschillen van pigmenten. Die verplaatsen zich van de ene cel naar de andere en kunnen ook met elkaar reageren. Turing liet zien dat er, zelfs uitgaande van een gelijkmatige verdeling, lokale concentratieverschillen kunnen ontstaan en daarmee verschillen in kleur. Zo op het eerste gezicht heeft dat weinig te maken met de plantengroei in sommige delen van de Sahel, maar toch blijken heel verschillende biologische en natuurkundige processen beschreven te kunnen worden volgens dezelfde wiskundige vergelijkingen.

badkuipeffect

Rietkerk: ``Turing beschreef de diffusie van pigmenten, wij beschrijven de verspreiding van water in en boven de grond. Planten spelen daarbij een actieve rol: ze nemen water op, laten het weer verdampen en kunnen zich bovendien vermenigvuldigen. Nu is de regenval in semi-aride gebieden vaak heel extreem: als het er regent, valt er in korte tijd enorm veel water. Dat kan niet overal even makkelijk de bodem binnen dringen en verplaatst zich dus aan het oppervlak. Omdat planten met hun wortels de bodem losser maken kan het water daar ter plekke gemakkelijker in de bodem doordringen: een soort badkuipeffect. Als er dus ergens al planten staan, zullen die verdere plantengroei stimuleren.''

Rietkerk illustreert dit door op het beeldscherm van zijn computer te laten zien hoe op een willekeurig bezaaid stuk land spontaan structuren ontstaan. De vorm daarvan wordt in belangrijke mate bepaald door de hoeveelheid regenval, al spelen ook hoogteverschillen of begrazing een rol.

Al die patronen worden daadwerkelijk in de natuur waargenomen, van her en der verspreide groepjes in de droogste gebieden, via ingewikkelde labyrinten in de wat vochtiger omgeving tot een bijna homogene bedekking met hier en daar wat bruine plekken. Veel interessanter is echter dat uit het model volgde dat voor een gegeven hoeveelheid regenval er verschillende patronen naast elkaar kunnen bestaan. Dat verklaart ook waarom een gebied zich niet kan herstellen als na een lange periode van droogte de regenval weer op het oude niveau terugkeert. Rietkerk: ``Dat klopt met de ervaring van de lokale bevolking. Die weten dat ze moeten ingrijpen om een kaal stuk land weer begroeid te krijgen, bijvoorbeeld door dood hout te strooien. Dat trekt termieten aan, die zich in de bodem ingraven en de grond poreus maken. Daardoor kan het schaarse water dat er valt beter infiltreren. Precies wat wij ook in ons model zien.''

jaloers

Planten slagen er dus in te overleven door zich ruimtelijk te organiseren. En dat doet elke soort op zijn eigen manier, bijvoorbeeld omdat ze verschillende wortelstelsels hebben. Grassen wortelen nu eenmaal minder diep en minder uitgebreid dan grotere planten. Rietkerk: ``Een concurrerende groep werkt in Israël aan patronen in gras. Zij vinden dezelfde patronen als wij in het geval van bomen en struiken, maar op een schaal van enkele centimeters.'' Enigszins jaloers voegt hij er aan toe dat zijn Israëlische collega's wel in staat zijn om experimenten te doen door de `regenval' te variëren: ``Het is nu eenmaal makkelijk irrigeren op een grasveldje rond een kibboets in de Negev-woestijn.''

De komende jaren hoopt Rietkerk zijn onderzoek uit te breiden naar andere ecosystemen die blootstaan aan stress, zoals veengebieden en kwelders. Rietkerk: ``Kwelders hebben een zoutige bodem, wat de plantengroei negatief beïnvloedt. Waar echter planten staan, verdampt minder water en blijft de zoutconcentratie relatief laag. Overbegrazing door ganzen kan er juist toe leiden dat de bodem plaatselijke te zout wordt, waardoor planten niet meer terug kunnen komen. Het is ook een voorbeeld van de manier waarop planten moeten ingrijpen op hun eigen stressfactoren.''

Rietkerk hoopt op termijn te kunnen voorspellen wanneer een gebied in een gevarenzone terecht komt of wat de beste manier is om een kaal stuk in te zaaien. Rietkerk: ``Uiteindelijk willen we proberen om analogieën te ontdekken tussen verschillende ecosystemen om zo beter te kunnen voorspellen wat de effecten zijn van menselijk handelen op de dynamiek in zo'n ecosysteem.''