Arie Staal

zijn. Samen met collega’s heb ik terugkoppelingen van bosbedekking met vuur en met regenval in het Amazonegebied en andere tropische gebieden bestudeerd.

De insteek was om het gebrek aan begrip tussen theorie en observatie over de veerkracht en stabiliteit van tropisch bos en savanne te overbruggen door wiskundig modelleren te koppelen aan het analyseren van grootschalige gegevens afkomstig van satellieten. In hoofdstuk 2 zijn we daarmee begonnen door het ontwikkelen en analyseren van een simpel wiskundig model met alternatieve toestanden in bosbedekking. We hebben dit model toegepast op de verspreiding van bosbedekking in de zuidoostelijke Amazone. Daarmee lieten we zien dat samen, ontbossing op lokale schaal en verdroging op regionale schaal sneller kantelpunten van bosverlies kunnen veroorzaken dan afzonderlijk.

Theoretische resultaten geven aan dat ruimtelijke processen die plaatsvinden tussen stukken bos en savanne de hysterese kunnen beïnvloeden. Ruimtelijke processen zijn bijvoorbeeld de uitbreiding van bos via zaadverspreiding of een savannebrand die zich uitbreidt naar een bos. Zulke ruimtelijke processen kunnen de omvang van klimaatomstandigheden waarin de twee ecosystemen op lokale schaal kunnen samengaan versmallen: de minder stabiele van de twee is dan niet opgewassen tegen verspreiding van de stabielere. In het ultieme geval van sterke ruimtelijke processen zal er alleen maar een grens tussen de twee toestanden gevonden kunnen worden onder omstandigheden waaronder bos en savanne exact even stabiel zijn; dit ondanks het feit dat ze in isolatie wel alternatieve evenwichten kunnen zijn. Deze omstandigheden van gelijke stabiliteit heten het “Maxwellpunt”. In hoofdstuk 3 hebben we de verspreiding van bosbedekking in de tropen onderzocht op aanwijzingen van dergelijke versmalling van hysterese. We baseerden ons onderzoek op theoretische voorspellingen van een verschil tussen, aan de ene kant, de omstandigheden waaronder alternatieve toestanden mogelijk zijn en, aan de andere kant, de omstandigheden waaronder lokaal samengaan van twee toestanden mogelijk is. Bosbedekkingsgegevens geven aan dat er alternatieve toestanden mogelijk zijn bij jaarlijkse regenvalniveaus tussen 1100 en 2000 mm in het geval van Zuid-Amerika en tussen 1300 en 2000 mm in het geval van Afrika. Echter gaf onze analyse weinig bewijs dat ruimtelijke processen sterk genoeg zijn om de hysterese tussen bos en savanne op te heffen.

In hoofdstuk 4 hebben we expliciet het mechanisme onderzocht dat kantelpunten tussen bos en savanne kan veroorzaken. Door het analyseren van branden in de gehele tropen laten we zien dat het vóórkomen van branden sterk toeneemt naarmate de bosbedekking onder de 40% komt. Door dit resultaat om te zetten naar een wiskundig model konden we laten zien dat de steilheid van het geobserveerde patroon middelhoge bosbedekking instabiel maakt. Dit is onafhankelijk van een heel aantal aannames over de groeisnelheid van de bosbedekking. Door het model voorspelde patronen van bosbedekking in de tropen komen overeen met geobserveerde patronen, wat betekent dat een terugkoppeling tussen vuur en bosbedekking voldoende kan zijn om alternatieve toestanden tussen bos en savanne te creëren. We laten ook zien dat “percolatie” van vuur door de open savanne de scherpe toename van vuurfrequentie rond een kritische bosbedekking kan verklaren.

In hoofdstuk 5 bouwen we voort op hoofdstuk 4 door bosbedekking en branden te analyseren in verschillende jaren, om de terugkoppeling tussen bosbedekking en branden preciezer te kunnen bepalen bij verschillende klimaatomstandigheden. Met deze observaties hebben we een ruimtelijk wiskundig model ontwikkeld voor de vuur-bos-terugkoppeling. Het model voorspelt dat bos en savanne alternatieve toestanden zijn bij verschillende jaarlijkse neerslagwaardes, maar ook dat de precieze neerslagwaardes afhangen van hoe variabel de regenval is. Zowel verschillen in regenval tussen de seizoenen als verschillen in regenval tussen jaren zorgen voor meer branden, maar alleen die tussen de seizoenen beïnvloeden de hysterese van bos en savanne. De sterkte van de vuur-bos-terugkoppeling hangt ook af van de ruimtelijke samenstelling van het bos en de verstoringen daarop: landschappen met gegroepeerde ontbossing zullen sneller een kantelpunt ondergaan dan landschappen met meer verdeelde ontbossing.

Hoofdstuk 6 behandelt de regionale effecten van bosbedekking op regenval in het Amazonegebied. We gebruikten resultaten uit een hydrologisch model om te berekenen hoeveel vocht de bossen in de Amazone in de 21e eeuw de atmosfeer in pompten. Vervolgens simuleerden we de paden die de watermoleculen door de atmosfeer aflegden en waar ze weer neerregenden. Hiermee konden we bepalen dat een derde van alle regenval in het Amazonegebied afkomstig is vanuit het Amazonegebied zelf; twee derde van dat water is tenminste eenmaal door bomen de lucht in gepompt. Onze berekeningen laten zien dat bossen in de zuidelijke helft van de Amazone het belangrijkst zijn voor de stabiliteit van andere bossen, terwijl de bossen in met name het zuidwestelijke deel van het stroomgebied het meest afhankelijk zijn van deze door het bos gegenereerde regen. In drogere maanden en drogere jaren dragen bossen meer bij aan regenval dan in nattere maanden en jaren. Dit betekent dat de bossen droogtes verzachten.

In hoofdstuk 7 verbind ik de resultaten uit eerdere hoofdstukken en presenteer ik enkele nieuwe analyses die laten zien hoe de eerdere hoofdstukken gezamenlijk helpen om kritieke grenzen aan veranderingen in landgebruik in de Amazone te bepalen.

Op basis van de resultaten uit dit hele proefschrift concludeer ik dat bosbedekking in de tropen niet geleidelijk zal veranderen als het klimaat verandert, en dat transities tussen bos en savanne waarschijnlijk relatief abrupt en moeilijk te herstellen zullen zijn. Het voornaamste mechanisme achter zulke kantelpunten is een terugkoppeling tussen vuur en bosbedekking. Grotere verschillen in regenval tussen de seizoenen versterken deze terugkoppeling, en in de Amazone zal ontbossing die verschillen tussen de seizoenen alleen maar laten toenemen.