Sedimentsortering som multidimensjonal lokal kompleks miljøvariabel (mLKM)

Publisert Sist endret

S3 er en multidimensjonal LKM (mLKM); en ‘kompleks miljøvariasjon over ett og samme tema, som beskrives ved bruk av et trinn- og/eller klasseskjema med mer enn en dimensjon’ (merk at miljøfaktoren S3S i seg sjøl uttrykker variasjon i flere uavhengige ‘dimensjoner’ i det økologiske rommet).

Gjennom hele arbeidet med NiN har det vært store utfordringer knyttet til kategorisering av sedimenter. I NiN versjon 1 ble variasjon i sedimentegenskaper beskrevet ved hjelp av én ‘økoklin’, kornstørrelse (KO), med ni ordinære trinn og seks såkalte ’spesialtrinn’. Ett opplagt problem med denne måten å beskrive variasjon relatert til sediment-egenskaper, er at det ikke er noen lineær sammenheng mellom gradienter i artssammensetning og gradienter i sedimentenes kornstørrelsesfordeling; det er ikke engang opplagt at det er en monoton relasjon. Derfor finnes det heller ingen enkel transformasjon av fysisk kornstørrelse til én variabel som artssammensetningen er lineært relatert. Kategorisering av sedimenter var et hovedtema på møtet i marin faggruppe på Tjärnö i april 2013. Drøftingene der resulterte i enighet om et kategoriseringsskjema der sorterte sedimenter, basert på kornstørrelsesfordeling, fordeles langs tre ’dimensjoner’ (Fig. B3–6) – to LKMg [erosjonsmotstand (S3E) – og finmaterialinnhold (S3F) og en LKMf (marine substrater med spesielle egenskaper – MS; i NiN versjon 2 betegnet spesielle sedimenter (S3S)] – som ble antatt å ‘forklare’ hovedgradientene i artssammensetning på sublitoral sedimentbunn, det vil si fra og med fjærebeltet og ned til ca. 100 m dyp. Dette kategoriseringsskjemaet, som seinere er videreutviklet i flere runder, konkretiserer en hypotese om at disse tre ‘dimensjonene’ representerer de komplekse miljøvariablene som er viktigst for å forklare variasjon i artssammensetning mellom ulike sedimentkategorier på marin og limnisk sedimentbunn fra og med fjærebeltet og ned til de største dyp (derav betegnelsen S3). I disse systemene er strøm- og bølgepåvirkningen gjennomgående sterk nok til at sedimentenes kornstørrelsesfordeling bestemmes av deres evne til å motstå erosjon. Erosjonsmotstanden, eller eroderbarheten, blir derfor ansett som viktigste LKMg for å forklare variasjon i artssammensetning relatert til sedimentsammensetning, noe som begrunner valget av S3E som første dimensjon i sedimentkategoriseringsdiagrammet. S3E er delt i 8 basisklasser, men omfanget av variasjonen i artssammensetning mellom ytterpunktene varierer mellom ulike systemer (se NiN[2] artikkel 3 v0.0). Begrepet erosjonsmotstand er sentralt. Grabowski et al. (2011, s. 102) definerer eroderbarhet og relaterte begreper som følger: ’Erodibility is often expressed as ... a threshold for erosion or as an erosion rate .... An erosion threshold is the water velocity or critical bed shear stress (τc) that initiates sediment erosion, while erosion rate (E) is the mass of sediment eroded per unit time once the threshold is exceeded, i.e. at an excess shear stress. So, highly erodible sediment would have a low erosion threshold and/or high erosion rates at a low excess shear stress.’ En presis definisjon av erosjonsmotstand er ‘et sediments evne til å motstå vannerosjon; målt som kritisk skjærstyrke, samt sedimentets evne til å motstå andre ytre påvirkninger slik det kommer til uttrykk gjennom sedimentets kornstørrelsesfordeling’. Begrepet kritisk skjærstyrke (critical shear strength) defineres i NiN som ’kraften som må utøves for å gi begynnende oppvirvling, enten for enkeltkorn for grovere sedimenter (sand og grovere) eller for sedimentet som helhet for såkalt kohesive sedimenter som har betydelig innslag av silt og leire (kritisk skjærstyrke måles i måleenheten Pascal, 1 Pa = 1 N∙m–2)’. Denne definisjonen bygger på forklaringen av kritisk skjærstyrke hos Bjerkeng & Molvær (2002).

Kritisk skjærstyrke (og erosjonsmotstand) følger en J-formet kurve som funksjon av dominerende kornstørrelse (se Fig. B3–7; se også NiN[1] artikkel 14, Hjulström 1935, Shields 1936, Bjerkeng & Molvær 2002 og Sulebak 2007). Denne såkalte ‘Hjulström-figuren’ (Fig. B3–7) har en form som gjør at det innenfor hvert eroderbarhetsnivå finnes sedimenter med svært ulike dominerende kornstørrelser. Det gjelder ikke bare innenfor relativt lave eroderbarheter, slik Fig. B3–7 antyder, men kurven fortsetter egentlig ut av figuren og oppover mot venstre for leirdominerte sedimenter med finere og finere kornstørrelse. Kurvens vinkel med x-aksen er imidlertid ikke bare avhengig av sedimentets kornstørrelsesfordeling, men også av dets opprinnelse og hvor godt ’pakket’ sedimentene er. Til venstre for intervallet langs x-aksen som er vist i Fig. B3–7 vil derfor kurven kunne anta ulike forløp innenfor en brei vifte av mulige former; noe som uttrykker den gradvise overgangen mellom leirsedimenter og leirstein (forsteinet leire). Istidsavsetninger av fast blåleire (’moreneleire’) kan være nesten like faste som (løse) bergarter som f.eks. sandsteiner. Leirrike sedimenters erosjonsmotstand er også avhengig av sedimentenes vanninnhold, og vanninnholdet er indirekte og direkte viktig for sedimentenes funksjon som livsmedium, både for planter og for dyr.

Begreper som brukes for å beskrive hvordan partikler ’oppfører seg’ i vann er koagulering (’aggregering av partikler i vann forårsaket av kohesjon’) og flokkulering (’aggregering av partikler i vann forårsaket av adhesjon’). Lavest erosjonsmotstand finner vi i sedimenter dominert av silt og leire med svært høyt vanninnhold (løst ’mudder’), som eroderes svært lett. Når vanninnholdet avtar, øker mudderets erosjonsmotstand inntil den blir sammenliknbar med erosjonsmotstanden i de mest eroderbare finmaterialfattige sedimentene, som er dominert av middels–fin sand (ca. 0,25–0,5 mm dominerende kornstørrelse; se Tabell B3–5 for begreper for kornstørrelsesklasser). Fra og med SE∙a liten erosjonsmotstand mot økende erosjonsmotstand finner vi parallelle serier av finmaterialfattige og finmaterialrike kornstørrerelsesintervaller; i den finmaterialfattige serien øker erosjonsmotstanden når den dominerende kornstørrelsen øker, i den finmaterialrike serien øker først erosjonsmotstanden når den dominerende kornstørrelsen avtar og med økende grad av konsolidering (se Fig. B3–6). Generelt stabiliseres sedimentene når innholdet av svært fine kornstørrelser øker. Dette skjer dels ved kohesjon, ’tiltrekning mellom kjemisk likartete partikler’, i sedimenter typisk ved elektrokjemisk tiltrekning mellom leirpartikler og kolloider (van der Waalskrefter og elektrostatisk tiltrekning; Grabowski et al. 2011), dels ved adhesjon, ’tiltrekning mellom ulike partikler’, i sedimenter f.eks. ved at bakterier fester seg til mineralkorn, ved at sedimentpartikler bindes sammen av en ytre agens som f.eks. en organisk polymer, jernoksid eller en annen kjemisk forbindelse (Grabowski et al. 2011). Leire har en sterkere stabiliserende effekt enn silt. Det forklarer hvorfor vi finner stor erosjonsmotstand både i faste leirsedimenter og steindominerte sedimenter.

Finmaterialfattige og finmaterialrike sedimenter har svært forskjellig artssammensetning; de finmaterialfattige har større innhold av gravende fauna (infauna), de finmaterialrike større innhold av påvekstorganismer (epifauna). Finmaterialinnhold (S3F) er derfor andre ‘dimensjon’ i sedimentkategoriseringsdiagrammet (Fig. B3–6). Tentative grenser mellom fem basistrinn er satt ved 0, 10, 30 og 60 % finmaterialinnhold (= samlet vektprosent silt + leire). Fra artssammensetningssynspunkt er ’mellomklasser’ med hensyn til finmaterialinnhold, som f.eks. finmaterialrik grus- steinbunn, viktige fordi finmaterialet skaper levevilkår for arter som er knyttet til finere sedimenter (sedimenter med lavere erosjonsmotstand) samtidig som det grovere sedimentmaterialet beholder sine egenskaper og sin epifauna. Årsaken til at slike blandete sedimenter forekommer, er at partikler som stikker opp fra bunnen får redusert erosjonsmotstand, mens partikler som gjemmer seg mellom større partikler får økt erosjonsmotstand i forhold til et homogent sediment (Shvidchenko et al. 2001). Innenfor flere av sedimentkategoriene definert ved en gitt kombinasjon av erosjonsmotstand og finmaterialinnhold finnes i tillegg til normale mineraljordssedimenter også bioklastiske sedimenter, det vil si ’sedimenter som for en stor del består av partikler av biologisk opprinnelse’. Når disse sedimentene har spesielle egenskaper som resulterer i en artssammensetning som er betydelig eller vesentlig forskjellig fra sedimenter som er sammenliknbare med hensyn til erosjonsmotstand og finmaterialinnhold, skal de etter prinsippene for typeinndeling i NiN versjon 2 gi grunnlag for inndeling i egne grunn- eller hovedtyper. Slike bioklastiske sedimenter (som utgjør de fleste av klassene i S3S) utgjør derfor den tredje ‘dimensjonen’ innenfor S3 (se Fig. B3–6), som skal legges til grunn for typeinndeling når de gir opphav til tilstrekkelig forskjell i artssammensetning fra sorterte sedimenter med tilsvarende erosjonsmotstand og finmaterialinnhold. S3S er en miljøfaktor, og representerer derfor i en gradientanalytisk forstand ikke bare en, men flere akser i det økologiske rommet som utspennes av variasjon i sorterte sedimenters egenskaper. For enkelthets skyld vil vi likevel omtale S3S som én av tre S3-dimensjoner.

I sublitorale marine sedimentbunnsystemer (det vil si sedimentbunn i dybdelag fra nedre fjæremål og et stykke ned i det afotiske beltet) er sedimentene i stor grad vasket ut og sortert av eroderende krefter (bølge- og strømvirkning) slik at kornstørrelsesfordelingen gjenspeiler sedimentenes (iboende) motstand mot erosjon. Erosjonsmotstand er derfor et godt begrep for den første dimensjonen innenfor S3 i disse systemene. Finmaterialinnholdet på sublitoral sedimentbunn er resultatet av en dynamisk balanse mellom erosjon av det opprinnelige sedimentet og tilførsler av finmateriale. Sedimentene inneholder det materialet som under de rådende forholdene, fram til i dag, ikke har blitt vasket vekk. Finmaterialinnhold er derfor valgt som betegnelse for den andre dimensjonen innenfor S3 uten at man går direkte inn på hvilke prosesser som er involvert i å bestemme sedimentenes finmaterialinnhold (mange ulike prosesser, historiske og aktive, er sikkert involvert). Avvikende artssammensetning, først og fremst på bioklastiske sedimenter, i forhold til sammenliknbare ordinære minerogene sedimenter er håndtert ved å åpne for S3S-kategorier som alternativer til de ordinære kategoriene (tredje dimensjon). Også usorterte sedimenter er inkludert i S3S som en ‘spesialkategori’, til forskjell fra all annen variasjon i S3-diagrammet, som adresserer sedimenter som er sortert av erosjonskrefter eller ‘naturlig sortert’. Hypotesen om at denne kategoriseringen av sorterte sedimenter utspenner (’forklarer’) hovedgradientene i artssammensetning kan testes for alle relevante natursystemer ved bruk av generaliserte artslistedata og metodikken som er beskrevet i kapittel B2 og i NiN[2] artikkel 2 v0.0.

Bruken av S3-skjemaet er imidlertid ikke problemfri og flere utfordringer må løses:

  1. Den økologiske forklaringen på erosjonsmotstand som årsak til variasjonen i sedimentsammensetning innenfor finmaterialfattige sedimenter (langs gradienten fra fin sand via grov sand, grus og stein til blokker), er ikke fullt ut dekkende for alle sedimentbunn-systemer. I mange systemer er det andre årsaker til variasjon i sedimentenes kornstørrelsesfordeling (og artenes respons på denne variasjonen). På dyphavet forekommer f.eks. spesielle kombinasjoner av topografi, bølge- og strømforhold og sediment-tilførsel som gjør at finere sedimenter enn vannets eroderende kraft skulle tilsi, faktisk forekommer (jf. sjøfjærforekomster på mobil sandbunn i dyphavet).
  2. I mange natursystemer er bare deler av S3-skjemaet relevant for variasjon i artssammensetningen fordi variasjonen i artssammensetning og/eller økologiske prosesser følger et mønster som ikke, eller bare delvis, forholder seg til dimensjonene S3E, S3F og S3S på samme måte som i grunnskjemaet.

 

Disse utfordringene er løst i NiN versjon 2 på følgende måte:

  1. S3-skjemaet brukes som et generelt rammeverk for å beskrive variasjon i artssammensetning relatert til variasjon i dominerende kornstørrelse i sorterte sedimenter i de natursystemer der erosjon antas å være en svært viktig økologisk årsak til de observerte mønstrene. Fordi det fulle skjemaet har 3 ’dimensjoner’, brukes altså betegnelsen sedimentsortering (S3) i NiN 2. Mangfoldet av bakenforliggende prosesser som kommer til uttrykk som variasjon langs disse tre ‘dimensjonene’ kommer til uttrykk ved at S3 er en multidimensjonal LKM (mLKM); en mLKM er ‘kompleks miljøvariasjon over ett og samme tema, som beskrives ved bruk av et trinn- og/eller klasseskjema med mer enn en dimensjon’ (merk at miljøfaktoren S3S i seg sjøl uttrykker variasjon i flere uavhengige ‘dimensjoner’ i det økologiske rommet).
  2. I natursystemer der sedimentenes kornstørrelsesfordeling ikke har vesentlig betydning for variasjonen i artssammensetning, og erosjonsutsatthet (S3E) ikke er relevant som prosess for å forklare denne variasjonen, slik tilfellet er i fastmarkssystemer, er en forenkling av S3, operasjonalisert som én lokal kompleks miljøfaktor, dominerende kornstørrelsesklasser (S1), benyttet. Dette gjelder mange fastmarkssystemer, samt saltvanns- og ferskvannssystemer der det er grunn til å anta at artssammensetningen på fast fjell (S1∙a) skiller seg fra artssammensetningen på steindominert mark (S1∙b). Bruk av ett og samme kategoriseringsskjema (S3) som grunnlag for typeinndeling basert på sorterte sedimenters kornstørrelsesfordeling i alle systemer der artssammensetningen i større eller mindre grad varierer langs gradienter i fysiske substrategenskaper, ville være i tråd med målsettingen i NiN om harmonisering av begreper. Dette ble forsøkt i tidligere inndelingsframlegg (Framlegg 2; se NiNnot124), men idéen ble seinere forlatt for systemer der det ikke er erosjonsprosesser som forårsaker variasjonen i dominerende kornstørrelse fordi S3-skjemaet da innbyr til en feilaktig tolkning av viktige prosesser. I disse systemene er i stedet variasjonen parameterisert som én lokal kompleks miljøfaktor, dominerende kornstørrelse (S1), med 11 basisklasser (S1∙0,a–j). Det gjelder bl.a. i T29 Grus- og steindominert strand og strandlinje der breenes sortering av morenemateriale og erosjon da områdene lå under og i havnivået til sammen er årsak til kornstørrelsesfordelingen da land steg av hav. Men gjennom den langvarige primære suksesjonen mot jorddekt fastmarkssystem har finmateriale bygd seg opp og visket ut effekten av de marine erosjonsprosessene. Også i T18 Åpen flomfastmark forklares variasjon i artssammensetning av kornstørrelsesfordeling uten at S3-skjemaet direkte er egnet til å beskrive denne variasjonen. I fastmarkssystemer finnes også eksempler på sedimentkategorier med så spesifikk artssammensetning, betinget av spesielle økologiske prosesser, som skiller seg så mye ut med hensyn til artssammensetning og prosesser at de må skilles ut som egen hovedtype. T21 Sanddynemark, med sin svært særpregete primærsuksesjon betinget av sandstabilisering (SS), eksemplifiserer dette.

 

S3-skjemaet består av 16 kombinasjoner av basistrinn langs kombinasjoner av S3E og S3F, pluss 6 basisklasser innenfor S3S. Når S3 blir brukt til naturtypeinndeling, blir den oppfattet som én normal LKM.

Creative Commons Attribution