Koolstofopslag in de natuur

Koolstof is overal. Het wordt steeds gerecycled, met grote invloed op klimaat en landbouw. NIOO bestudeert deze koolstofcycli, in de hoop ze te kunnen sturen.

Koolstof is een van de belangrijkste elementen op aarde. In de vorm van koolstofdioxide, methaan en organische stoffen wordt het voortdurend uitgewisseld tussen levende organismen, lucht, bodem en water. Daarmee is koolstof een belangrijke speler in klimaatverandering en ook in de gezondheid en productiviteit van planten. Wetenschappers van het NIOO onderzoeken hoe die koolstofcycli werken – en hoe je ze kunt beïnvloeden.

Het element koolstof is alom aanwezig in onze levende en niet-levende omgeving. Het wordt voortdurend uitgewisseld tussen organismen, lucht, bodem en water. “In feite gaat het niet om één koolstofcyclus, maar om een complex netwerk van met elkaar verbonden cycli”, zegt Paul Bodelier, senior scientist van de NIOO-afdeling Microbiële Ecologie. “Deze cycli zijn van vitaal belang voor al het leven op aarde. Ze sturen de doorstroming van voedingsstoffen en energie, en beïnvloeden ook het klimaat.”

Planten, algen en bepaalde bacteriën nemen koolstofdioxide op uit hun omgeving en leggen het vast in de vorm van organische stoffen. Dit noemen we fotosynthese. Ze produceren bijvoorbeeld suiker, maar ook vetten en andere organische stoffen. Deze koolstofvastlegging is het startpunt voor een scala aan voedselweb-interacties, waarbij dieren en microben die organische stoffen verteren en daarbij koolstofdioxide of methaan produceren. Dat zijn twee belangrijke broeikasgassen. Intussen ‘lekken’ er ook koolstofverbindingen naar de bodem en het water. Daar voeden ze micro-organismen, die op hun beurt plantengroei sturen en broeikasgassen uitstoten.

Koolstofcycli staan onder invloed van allerlei factoren – biotische, zoals biodiversiteit en de aard van de voedselwebben, maar ook abiotische, zoals temperatuur, water en voedingsstoffen. NIOO-wetenschappers proberen die complexe relaties te ontrafelen. Uiteindelijk hopen ze die zelfs te kunnen sturen, en daarmee bodems gezonder te maken, gewassen beter te laten groeien en koolstofopslag te stimuleren.

Verrassende effecten

Soms gebeuren er verrassende, schijnbaar tegenstrijdige dingen in de koolstofcycli. “Veel van die effecten zijn we nog maar net aan het ontdekken”, zegt Bodelier. Zijn collega Kyle Mason-Jones, postdoc bij de afdeling Terrestrische Ecologie, noemt een voorbeeld: het zogeheten priming-effect. “Als je koolstof toevoegt aan een bodem, neemt soms de hoeveelheid koolstof in die bodem juist af”, zegt hij. “Dat komt doordat de toegevoegde koolstof de groei stimuleert van bepaalde micro-organismen. Die kunnen de opgeslagen koolstofverbindingen afbreken en omzetten in koolstofdioxide.”

En voeg je stikstof of fosfor toe, dan gaan sommige micro-organismen methaan uit de omgeving opnemen. “Maar we weten nog maar weinig over hoe dit precies werkt”, zegt Bodelier. “Wellicht zijn er biotische of abiotische factoren die bepalen welke kant zo’n proces opgaat.”

Koolstof in andere vorm

Dedmer van de Waal, senior scientist bij de afdeling Aquatische Ecologie, noemt nog een voorbeeld. Een overmaat aan fosfaat of nitraat kan zorgen voor ‘overbemesting’ van zoetwatersystemen, en daarmee voor algenbloei. “Onder deze omstandigheden wordt het sediment vaak zuurstofloos. De micro-organismen die daarin leven, gaan dan grote hoeveelheden methaan gaan produceren”, zegt hij. “Blijkbaar zorgt een verschuiving in planten- of algensamenstelling ervoor dat koolstof vrijkomt in een andere vorm.” En methaan is een veel krachtiger broeikasgas dan koolstofdioxide, merkt hij op. “Dus dit is iets om goed in de gaten te houden.”

NIOO-wetenschappers proberen dergelijke processen altijd in een bredere context te bestuderen, benadrukt Ciska Veen, tenure track-onderzoeker bij de afdeling Terrestrische Ecologie. “Willen we één zo’n proces begrijpen, dan moeten we ook andere processen meenemen. De volgende stap is leren hoe we die processen kunnen beïnvloeden.”

Langetermijnopslag

Een groot deel van de koolstof op aarde ligt voor langere tijd opgeslagen in allerlei vormen, en is daarmee niet meteen beschikbaar voor koolstofcycli. Voorbeelden zijn dood hout en andere plantenmaterialen in bosbodems, plantenmateriaal in venen, en dood organisch materiaal dat naar de zeebodem is gezakt. Een ander voorbeeld zijn zogeheten exudaten: suikerachtige stoffen die uit plantenwortels de grond in lekken. “Deze vorm van koolstof kan ruim duizend jaar in de grond blijven zitten”, vertelt Veen. “Uiteindelijk wordt deze koolstof altijd weer onderdeel van de koolstofcyclus. De snelheid waarmee dit gebeurt, is belangrijk voor de landbouw maar ook voor het klimaat.”

Veens collega Mason-Jones bestudeert de relatie tussen micro-organismen in de bodem en de verschillende vormen van opgeslagen koolstof. “Virussen spelen in deze context een onverwachte rol”, vertelt hij, “omdat ze invloed hebben op het ecologische evenwicht tussen verschillende microbiële gemeenschappen, zoals bacteriën en schimmels.”

Cycli bijsturen

Veen en Mason-Jones onderzoeken beiden wat de invloed is van verschillende vormen van landbouw – bijvoorbeeld moderne versus traditionelere of biologische landbouw – op deze microbiologische evenwichten, en daarmee op de koolstofcycli. “In ons project getiteld Vital Soils experimenteren we op boerderijen met verschillende vormen van landbouw”, vertelt Veen. “Dat doen we samen met boeren. Zij zouden die koolstofcycli graag sturen, want deze cycli hangen sterk samen met de productiviteit en weerbaarheid van hun gewassen.”

Je zou het misschien niet verwachten, maar een grotere microbiële activiteit leidt niet altijd tot meer afbraak en meer koolstofverlies aan de lucht, merkt Veen op. “Het kan juist leiden tot meer microbiële biomassa, die zich bindt aan de bodemdeeltjes. De koolstof is dan vrij stabiel. Dit weten we uit recent onderzoek. We zijn nu aan het uitzoeken of we die microbiële gemeenschappen zodanig kunnen ‘managen’ dat we meer koolstof in de bodem kunnen opslaan.”

Bodelier noemt een ander NIOO-project, dat onlangs is afgerond. “Veel boeren zaaien in de herfst en winter zogeheten vanggewassen op hun land, die ze vervolgens in de lente de grond in ploegen als groenbemester”, vertelt hij. “Wij onderzoeken hoe mengsels van dergelijke vanggewassen bodemmicro-organismen kunnen beïnvloeden, en hoe dit bijdraagt aan koolstofopslag en het beperken van de koolstofdioxideuitstoot. In een vervolgproject willen we hierop voortbouwen, en verder werken aan klimaatvriendelijkere landbouw.

Processen omdraaien

In een ander project werken NIOO-onderzoekers aan het stimuleren van micro-organismen die methaan uit de lucht opnemen. “Het toevoegen van compost of ander organisch afval aan de bodem bleek te leiden tot methaanopname uit de lucht”, vertelt Bodelier. “Dit gebeurt van nature in het milieu, maar landbouw is veelal ten koste gegaan van het vermogen van bodemsystemen om methaan uit de lucht te halen. Zodra we beter begrijpen waarom dat zo is, kunnen we werken aan doelgerichte maatregelen om dat verlies terug te draaien. Dat zou een enorme stap voorwaarts zijn.”

Je zou dit bijvoorbeeld kunnen bereiken door natuurlijke ecologische functies in landbouwsystemen te herstellen. Bijvoorbeeld door te zorgen voor meer biodiversiteit en meerjarige gewassen. Van de Waal en Veen noemen nog een paar NIOO-projecten op dat vlak, gericht op onder meer ‘klimaatrobuuste’ landschappen, ‘klimaatslimme’ bosbouw en voedselbossen die koolstof opslaan.

“In de laatste tien, vijftien jaar zijn er allerlei nieuwe biogeochemische reacties ontdekt waarvan we geen idee hadden dat ze bestonden”, besluit Bodelier. “Veel daarvan hebben direct invloed op koolstofcycli. En er zijn er vast veel meer waarvan we nog geen weet hebben. Onze belangrijkste prioriteit is het ontdekken van die nog onbekende schakels in de koolstofcycli.”