Hoe veel CO₂ slaat een hectare landbouwgrond op?

Hoe komt CO₂ in de bodem terecht?

CO₂, of eigenlijk de koolstof (C) uit CO₂, wordt vastgelegd in planten en komt uiteindelijk in de bodem terecht doordat wortels organische stoffen, zoals suikers, in de bodem brengen (dit noem je wortelexudaten), en in de vorm van dood plantenmateriaal. Dat dode plantenmateriaal kan bestaan uit bovengrondse dode bladeren en stengels, en ondergrondse afgestorven wortels, en bestaat voor ongeveer 50% uit koolstof. Vooral wortels en exudaten zorgen voor een continue toevoer aan organisch materiaal in de bodem, maar het grootste deel van die toevoer verlaat de bodem bijna onmiddellijk weer als CO₂ na afbraak door bodemorganismen zoals schimmels en bacteriën en respiratie [1]. Dat proces produceert ook voedingsstoffen voor planten, en is één van de redenen waarom de toevoer van organisch materiaal, in de vorm van plantenresten of dierlijke mest, zo belangrijk is voor landbouwbodems [2] (Fig. 1)!

Fig. 1. Planten leggen CO₂ vast door fotosynthese. Een deel van deze CO₂ komt terecht in de bodem als dood blad- en stengelmateriaal, dode wortels, en wortelexudaten. Door microbiële verwerking worden voedingsstoffen als stikstof (N) en fosfor (P) vrijgemaakt voor plantengroei (blauwe pijl), en komt een groot deel van de koolstof (C) uit dit organisch materiaal terug in de atmosfeer (rode pijl). Een relatief klein deel blijft langdurig in de bodem vastgelegd als stabiele bodemorganisch koolstof, doordat deze verbindingen onbereikbaar worden voor verdere microbiële verwerking. Dat kan als kleine moleculen vastplakken aan bodemdeeltjes, of als kleine deeltjes worden omhuld door schimmeldraden en bodemdeeltjes.

Slechts een klein deel van de koolstof wordt langere tijd in de bodem vastgelegd

Die continue afbraak is tegelijkertijd ook de reden dat het moeilijk is om koolstof, het belangrijkste bestanddeel van organisch materiaal, in landbouwbodems op te slaan. Slechts een klein gedeelte van bodemorganisch materiaal, en dus de koolstof die daarin zit, blijft langer dan een jaar achter in de bodem, doordat het na verwerking door micro-organismen vastplakt aan bodemdeeltjes, of wordt ingekapseld door schimmeldraden en microbiële lijmstofjes (EPS)[3]. Op die manier wordt het bodemorganisch materiaal onbereikbaar voor afbraak door bacteriën, en kan het lang (tot wel 1000 jaar) in de bodem vastgelegd worden. Het is moeilijk om organische stof op te bouwen in landbouwbodems omdat in de landbouw veel organisch materiaal – vooral bovengronds plantenmateriaal – wordt afgevoerd door oogst en begrazing. Maar ook omdat de microbiële afbraak van organisch materiaal gestimuleerd wordt door grondbewerking. Ploegen zorgt er namelijk voor dat plantenresten in contact komen met micro-organismen, en dat schimmeldraden en bodemaggregaten kapotgaan, en het organisch materiaal dat daarin opgesloten zit beschikbaar komt voor microbiële afbraak [4] (Fig. 2).

Fig. 2. Conceptuele voorstelling van de relatie tussen de opslag van bodemkoolstof en respiratie bij een constante aanvoer van koolstof (C). Ploegen zorgt voor een toename in respiratie en een verlies van bodemkoolstof. Uit Janzen 2006 [2]

Veenbodems

In veenbodems werkt de vorming en afbraak van bodemorganische stof anders. Veenbodems bestaan uit oude plantenresten die niet (volledig) zijn afgebroken door micro-organismen door de waterverzadigde en zure condities. Als het waterpeil in veenbodems wordt verlaagd, bijvoorbeeld voor landbouw of huizenbouw, dan worden die oude plantenresten versneld blootgesteld aan zuurstof en afgebroken, en hierbij komt CO₂ vrij. Die afbraak voorkomen is veel belangrijker dan te proberen organische stof toe te voegen aan deze bodems. Dit artikel gaat dus niet over deze bodems maar over CO₂ opslag in minerale bodems.

Wat kunnen we doen om extra koolstof in landbouwbodems op te slaan?

Het CBS becijferde dat in 2018 Nederlandse graslanden gemiddeld ongeveer 592 kg CO₂ per hectare per jaar opnamen, en akkerbodems ongeveer 174 kg CO₂ [5]. Maar daar zit natuurlijk veel variatie in, en een zeer recente studie vond dat het organische stofgehalte in akkerland op minerale bodems in Nederland is gedaald sinds 1998 [6]. Minder (diep) ploegen, en minder vaak grasland omploegen en opnieuw inzaaien kan bijdragen aan een verhoogd gehalte aan organische stof in landbouwbodems. Ook kunnen gewasresten zoveel mogelijk op het land achtergelaten worden, en kunnen gewasrotaties verbeterd worden, bijvoorbeeld door vang- en rustgewassen op te nemen, die ervoor zorgen dat er plantenmateriaal in de bodem terecht blijft komen, en de bodem niet onbegroeid te laten. Al deze maatregelen samen zouden ervoor kunnen zorgen dat Nederlandse landbouwbodems een totaal van 0,9 Mton CO₂ per jaar vastleggen [7]. Ter vergelijking, de totale CO₂ uitstoot in Nederland in 2020 was 164,5 Mton CO₂ -equivalenten [8]. Uiteindelijk komen de processen van afbraak en extra toevoer met elkaar in evenwicht en wordt een stabiel organische stofgehalte bereikt [1,9]. Deze opname van 0,9 Mton CO₂ zal vermoedelijk na zo’n 50 jaar dus niet meer haalbaar zijn met dezelfde maatregelen [7].

Maar het is belangrijk om je te realiseren dat alle CO₂ die in de bodem wordt opgeslagen, uiteindelijk – direct, via plantenmateriaal en wortelexudaten, of indirect, via mest of compost – afkomstig is van fotosynthese door het gewas. Een andere manier om de maximale aanvullende opslag van CO₂ te schatten is dus door de extra plantengroei die haalbaar is te berekenen, en de fractie van die plantengroei die uiteindelijk langere tijd in de bodem wordt opgeslagen te modelleren. Op die manier vonden de auteurs van een zeer recente studie dat akkerland wereldwijd potentieel een extra 100-200 Pg koolstof per jaar kan opslaan, ofwel 329-657 Mton CO₂. Dat is een stuk minder dan voorgaande berekeningen [10].

Dat het moeilijk is om het organische stofgehalte in landbouwbodems op peil te houden blijkt uit een zeer recente Nederlandse studie, waarin 1152 locaties in 1998 en in 2018 werden geanalyseerd voor bodemorganische koolstof [6]. Uit deze metingen blijkt dat in minerale bodems onder akkerland het organische stofgehalte daalde gedurende die 10 jaar, in zowel de bovenste laag van de bodem (0 tot 30 cm, ook wel de bouwvoor genoemd), als de diepere laag van 30 tot 100 cm. Onder grasland op minerale bodems daalde het organische stofgehalte alleen in de diepere laag van 30 tot 100 cm.

Is CO₂ opslag in landbouwbodems een wapen tegen klimaatverandering?

Om klimaatverandering te stoppen moeten we stoppen met het verbranden van fossiele brandstoffen [11]. Maar het is wel belangrijk dat we doen wat we kunnen om bodemorganische koolstof op peil te houden, en dat we zeker geen bodemorganische koolstof verliezen. Dat kunnen we doen door de bovengenoemde strategieën, die je grofweg in ‘minder verliezen vanuit de bodem’ en ‘meer plantengroei’ kunt verdelen. Wereldwijd zijn er enorm veel wetenschappers bezig om meer te weten te komen over hoe we de vorming van stabiele bodemorganische stof kunnen stimuleren, en hoe we die beter in de bodem kunnen opsluiten. We zouden bijvoorbeeld planten in gewasrotaties of blijvend grasland kunnen opnemen waarvan de wortelexudaten efficiënt door micro-organismen worden omgezet in stabiele organische koolstof [12]. Maar ook het gebruik van gewassen die het hele jaar door groeien (‘perennial crops’) is een veelbelovende strategie om plantengroei, en dus fotosynthese en de opname van CO₂, te optimaliseren. Daarbij moeten we zo efficiënt mogelijk reststromen recyclen en terugbrengen op de bodem, bijvoorbeeld ook uit menselijke uitwerpselen [13].

Bodemorganische stof verhogen of op peil houden zal moeten gebeuren onder een veranderend klimaat. Een hogere temperatuur, veranderende regenval, en droogte beïnvloeden de processen die verantwoordelijk zijn voor de vorming van bodemorganische stof. Een recente modelstudie laat zien dat de hoeveelheid bodemorganische stof in Duits akkerland sterk afneemt onder klimaatveranderingsscenario’s, maar ook als er geen klimaatverandering is [14]. De studie becijfert dat om bodemorganische stofgehaltes stabiel te houden tot het jaar 2099 een vergroting van de bodemorganische koolstof toevoer vergt van 5 tot 41%. Om de hoeveelheid koolstof in Duitse akkerbodems elk jaar met 0,4 % te laten toenemen – zoals in het 4permille initiatief wordt gesuggereerd wordt als oplossing voor klimaatverandering – moeten er onrealistisch grote hoeveelheden organische stof vastgelegd worden in de bodem: gemiddeld 8.300 kg organische koolstof, oftewel 27.000 kg CO₂, per hectare per jaar. Berthelin et al. [1] becijferen dat om dit te bewerkstelligen tien keer zoveel organische koolstof toegevoerd moet worden, dus zo’n 83 ton organische koolstof, ofwel 166.000 kilo droge stof aan organisch materiaal per hectare! Ter vergelijking: in 2019 was de gemiddelde grasland opbrengst in Nederland 9.700 kg droge stof per hectare, en de gemiddelde snijmaisopbrengst 17.000 kg droge stof per hectare [15]. Er zouden dus gigantische hoeveelheden organisch materiaal van elders aan landbouwbodems toegevoegd moeten worden. En als dat geen reststromen zijn die, direct of indirect, uit de landbouw afkomstig zijn, dan is dat niet bepaald circulair en gaat de opbouw van organische stof in landbouwbodems ten koste van de organische stof in een ander ecosysteem.

Het wordt dus een hele uitdaging om bodemorganische koolstof in landbouwbodems toe te laten nemen. Maar een recente studie laat zien dat zelfs als ecosystemen alleen tijdelijk meer CO₂ opnemen, dit bij draagt aan een afvlakking van de wereldwijde temperatuur toename [16]. CO₂ opname door landbouwbodems, maar ook door het herstellen van natuurlijke ecosystemen, is dus zeker belangrijk om klimaatverandering te verminderen.

Afbeelding van Jannis Knorr via Pexels.com

Conclusie

Het is uitdagend om het organische stofgehalte in landbouwbodems op peil te houden, laat staan om grote hoeveelheden koolstof op te slaan. Het is wél belangrijk om het organische stofgehalte in landbouwbodems op peil te houden, waar het kan te vergroten, maar zéker niet te verliezen. Er zitten gigantische hoeveelheden organische koolstof opgeslagen in landbouwbodems, die als ze versneld worden afgebroken, bijvoorbeeld door stijgende temperaturen, als CO₂ in de atmosfeer komen en zo bij kunnen dragen aan klimaatverandering. Bovendien heeft een goed organische stofgehalte in de bodem veel meer voordelen naast het tegengaan van klimaatverandering: het geeft de bodem structuur, vergroot het vermogen van bodems om water vast te houden, en voedt bodemorganismen en planten. De extra opslag van CO₂ in de bodem kan ook een interessant verdienmodel zijn voor boeren, zeker als de CO₂ prijs blijft stijgen. In het Oostenrijkse initiatief Ecoregion Kainkorf wordt dit al met succes gedaan [17], en ook in Nederland begint deze aanpak voet aan de grond te krijgen [18].