Koolstofopslag en –verliezen
Natuurlijke processen
Ecosystemen absorberen CO2 uit de lucht door middel van fotosynthese. Koolstof wordt zo opgeslagen in de levende biomassa van planten. Niet alle koolstof wordt omgezet in biomassa, een deel komt terug vrij via respiratie. Respiratie vindt plaats bij de planten zelf (= autotrofe respiratie), maar ook bij fauna en micro-organismen die (dood) organisch materiaal afbreken door decompositie en mineralisatie (= heterotrofe respiratie). Koolstof kan via bladstrooisel of dood hout worden aangeleverd in de O-horizont (organische horizont), die onder andere bestaat uit de strooisellaag, of rechtstreeks dieper in de bodem binnendringen door het afsterven van fijne wortels en wortelexudaten.
Onder aerobe omstandigheden (wanneer er zuurstof aanwezig is), wordt het organisch materiaal afgebroken en komt er CO2 vrij. Onder anaerobe omstandigheden kunnen koolstofverbindingen moeilijk worden afgebroken en stapelt het organisch materiaal zich op. In water verzadigde omstandigheden komt er echter methaan (CH4) vrij. De bijdrage aan klimaatopwarming, het aardopwarmingsvermogen (global warming potential, GWP), van CH4 is 28 maal hoger dan CO2. Micro-organismen in natte ecosystemen zijn verantwoordelijk voor zowel de productie als de consumptie van CH4. De extra productie zorgt voor een netto uitstoot. De grootte van deze emissies is afhankelijk van de watertafel, de temperatuur en de vegetatiegemeenschap. Desondanks is de verminderde CO2-uitstoot van decompositie onder natte omstandigheden vaak zo substantieel dat de netto koolstofaccumulatie nog steeds positief is en, bijgevolg, veel natte ecosystemen onder natuurlijke omstandigheden koolstof accumuleren. Dit is van groot belang in (laag)veengebieden waar onder de bovenste aerobe laag een dikke laag met anaerobe condities heerst.
Koolstof kan verder ook uit ecosystemen ‘weglekken’ door uitloging, door erosie, door brand of door de biomassa te oogsten. Uitloging vindt plaats onder de vorm van opgeloste organische koolstof, opgeloste anorganische koolstof en opgeloste CH4. Deze laatste flux is minimaal, maar uitloging van opgeloste organische en anorganische koolstof kan aanzienlijk zijn. Koolstoflekken ten gevolge van erosie, brand en biomassa-oogst worden hieronder behandeld.
Tot slot kan koolstof ook ontsnappen als vluchtige organische bestanddelen die worden aangemaakt door de vegetatie. Deze flux wordt slechts zelden gerapporteerd, omdat hij vaak erg beperkt en verwaarloosbaar is.
De mate waarin koolstofverliezen optreden hangt af van allerlei factoren, gaande van temperatuur en neerslag tot hydrologie (diepte van de laagste grondwatertafel), bodemtype en bodembedekking. Daarnaast spelen ook topografie (hellingsgraad, erosiegevoeligheid), landgebruik en specifieke vegetatie-eigenschappen een rol. De belangrijkste factoren en hun relatie met beheer worden besproken per ecosysteemgroep in de volgende hoofdstukken.
Koolstof in de biomassa en organische horizont
Koolstof is opgeslagen in stammen, takken, stengels, bladeren en wortels van planten. Samen met het dierlijke leven en de micro-organismen vormen zij de levende biomassa in een ecosysteem. Daarnaast bevindt er zich ook koolstof in de dode biomassa, zoals dood hout, en in de organische horizont, inclusief de strooisellaag. In veel (half)natuurlijke systemen is de bovengrondse biomassa beperkt. Hier zijn voornamelijk de ondergrondse biomassa en koolstof in de minerale bodem relevant. De koolstofvoorraden in de bovengrondse biomassa zijn vooral aanzienlijk in bossen. Veengebieden zijn een uitzonderlijk geval. Veen bestaat voor een groot deel uit dood organisch materiaal dat zich kon accumuleren door een onvolledige koolstofcyclus. De koolstofvoorraden in veengebieden kunnen enorm omvangrijk zijn. Door langdurige bijna permanente waterverzadiging ontstaat er immers een zeer laag zuurstofgehalte waardoor biomassa niet (snel genoeg) kan afgebroken worden en veenvorming ontstaat. Dit heeft belangrijke implicaties voor de koolstof in deze ecosystemen. Enerzijds kunnen zij onder natuurlijke omstandigheden veel koolstof opslaan. Anderzijds zijn de grote koolstofvoorraden in het veen erg kwetsbaar voor verdroging en eutrofiëring. Ook fluctuaties van het waterniveau zorgen voor een grote verluchting van de bodem waardoor het organisch materiaal sneller wordt afgebroken en veen minder poreus wordt, met onder andere ook inklinking (inzakken van het veen) tot gevolg.
Bodemorganische koolstof
Wanneer in niet water verzadigde omstandigheden plantenwortels en organismen afsterven of strooisel afbreekt, wordt organisch materiaal in de minerale bodem opgeslagen. Zowel koolstof afkomstig van bovengronds strooisel als koolstof afkomstig van fijne wortels of geassocieerde organismen zijn een belangrijke bron van input. Deze laatste categorie zou echter langer in de bodem blijven en volgens sommige auteurs ook een groter aandeel van de bodemorganische koolstof bevatten.
Koolstofopslag in de bodem wordt beïnvloed door tal van factoren op verschillende schalen. Waar klimaat en vegetatietype een belangrijke rol spelen op mondiale tot regionale schaal, zorgen bodemfauna, micro-organismen en fysicochemische eigenschappen van de bodem voor variatie tot op het kleinste ruimtelijke niveau. Zo zorgen hogere temperaturen bijvoorbeeld voor een versnelde afbraak van biomassa en kan bodemkoolstof beter accumuleren in koude streken. Natte bodems (met een hoge grondwatertafel) zullen meer koolstof accumuleren dan bodems met een lage grondwatertafel.
Ook het moedermateriaal is via de bodemtextuur een uiterst belangrijke factor voor de opslag en het verliezen van koolstof. Sommige bodems hebben een hoger sequestratiepotentieel of koolstofopslagvermogen dan andere. Zo kunnen bodems met een hoger kleigehalte en dieper profiel meer koolstof bevatten dan ondiepe bodems en zandbodems. Door bepaalde processen zoals podzolisatie kunnen zandbodems in de ondergrond toch een zekere ‘stabiele’ koolstofvoorraad herbergen. Hoe dieper deze voorraad voorkomt, hoe beter zij bestand is tegen oxidatie.
Het moedermateriaal bepaalt samen met de aanwezige levensgemeenschappen en externe factoren (zoals depositie) ook hoeveel nutriënten er in de bodem aanwezig zijn. Dit heeft dan weer een invloed op de koolstofcyclus. Zo is bijvoorbeeld geweten dat meer stikstof leidt tot een lagere heterotrofe respiratie en minder koolstofverliezen. Bovendien zorgt de extra stikstof voor een verhoogde biomassaproductie wanneer andere nutriënten niet limiterend zijn. Ook bodemfauna blijken een essentiële rol te vervullen, waarbij zowel voorbeelden gekend zijn van verhoogde koolstofopslag als hogere koolstofverliezen door de activiteit en/of aanwezigheid van bodemfauna.
In tegenstelling tot koolstof in biomassa, waar snel grote verliezen kunnen optreden, is (ten minste een deel van) de organische koolstof in de bodem stabieler opgeslagen. Zowel fysische als chemische en biochemische processen kunnen zorgen voor de bescherming en stabilisatie van organische koolstof in verschillende bodemfracties. Van deze processen is de associatie met fijne leem- en kleideeltjes het belangrijkste stabilisatiemechanisme. De stabiliteit van de koolstof hangt ook af van de herkomst en structuur van het organisch materiaal (bladstrooisel, wortels, microbiële residuen e.a.).
Studies voor Vlaanderen tonen aan dat variatie tussen bodemorganische koolstofvoorraden in natuurgebieden in hoofdzaak bepaald wordt door bodemeigenschappen, maar ook eigenschappen van de vegetatie zoals de gemiddelde planthoogte en de bewortelingsdiepte zijn van belang. Zowel tot op 1 meter diepte als in de bovenste 15 cm van de minerale bodem is het bodemtype de belangrijkste verklarende factor voor de aanwezige koolstofvoorraad. In de bovenste 15 cm spelen vervolgens vegetatie-eigenschappen zoals de bladoppervlakte (specific leaf area, SLA), de biomassaproductie, planthoogte en bewortelingsdiepte een belangrijke rol. In de koolstofvoorraad tot op 1 meter diepte wegen de laagste grondwaterstand en de kleifractie zwaarder door. Verder kan de koolstofvoorraad in de bodem ook in sterke mate bepaald zijn door de het voormalig landgebruik en historische beheer. Dergelijke informatie wordt echter weinig meegenomen in (modelleer)studies, voornamelijk omdat de nodige data ontbreken.
Hoewel er reeds veel onderzoek naar koolstofopslag en koolstoflekken in de bodem uitgevoerd is (en nog steeds uitgevoerd wordt), zijn er nog veel onduidelijkheden over de processen en interacties die ervoor verantwoordelijk zijn. Hierdoor blijft het moeilijk om de grote variatie in ecosystemen te ontrafelen en bevatten inschattingen die niet gebaseerd zijn op terreinmetingen een hoge onzekerheid.
De belangrijke rol van bodems in de terrestrische koolstofcyclus staat echter buiten kijf en beheerders zijn er vaak veel te weinig mee vertrouwd. Geografische basisinformatie over bodems is echter eenvoudig te vinden op Geopunt of Databank Ondergrond Vlaanderen. Zowel de Belgische bodemkaart als de bodemtypes volgens de World Reference Base (de Reference Soil Groups) leveren relevante info over de aanwezige bodemtextuur, drainage en profielontwikkeling. Deze Reference Soil Groups staan op een toegankelijke manier uitgelegd in een bestand van Databank Ondergrond Vlaanderen (DOV). Aangezien de bodemkaart enigszins gedateerd is (zeker als we kijken naar de drainageklasse), is het aangeraden dat terreinbeheerders de kennis van wetenschappelijke proeven met bodemboringen en peilmetingen in hun gebieden integreren of zelf via enkele proefboringen data verzamelen om zo een beter beeld te krijgen van de bodems in hun gebieden.
Menselijke en externe invloeden op koolstoflekken uit natuurgebieden
In eerste instantie hebben menselijke activiteiten zoals veel beheermaatregelen (maaien, dunnen, eindkap…) een impact op de bodemrespiratie. Vaak zullen zij de bodem verstoren en meer licht brengen op de bodem, waardoor een hogere bodemtemperatuur leidt tot verhoogde respiratie met bijkomende koolstoflekken tot gevolg. Ook het mengen van de strooisellaag met de minerale bodem kan tot koolstoflekken leiden. Diezelfde ingrepen kunnen (weliswaar in een meer beperkte mate) ook leiden tot hogere uitloging van opgeloste koolstof. Begrazing heeft dan weer een negatieve koolstofimpact omdat herkauwers een bron zijn van CH4. Koolstoflekken ten gevolge van erosie en brand zijn in Vlaamse natuurgebieden (voorlopig nog) beperkt.
De broeikasgasemissies gerelateerd aan biomassa-oogst kunnen anderzijds aanzienlijk zijn. Hierbij is echter de cruciale vraag wat er met het geoogste materiaal gebeurt. Heeft het maaisel een toepassing (zie bv. Grasgoed, waar maaisel als innovatieve grondstof wordt gebruikt) of wordt het gewoon op een hoop gelegd om te verteren, waar het een bron is van N2O en zo leidt tot verhoogde emissies? De koolstof opgeslagen in het geoogste hout kan decennialang bewaard worden in duurzame toepassingen zoals meubels of houtconstructies. Wanneer het energie-intensieve materialen zoals staal, beton of PVC vervangt (waarvoor fossiele brandstoffen nodig zijn bij de productie), spreekt men van het substitutie-effect. Houtresten en snelgroeiende soorten kunnen via verbranding ook rechtstreeks zorgen voor de substitutie van fossiele brandstoffen. Om een correcte analyse te maken van de klimaatimpact, moet echter de hele levenscyclus (bv. inclusief emissies door transport, verwerking en afvalverwerking) meegenomen worden. Zelfs dan blijkt de impact vaak positief. Op vraag van de opdrachtgever werd dit niet behandeld in de literatuurstudie. Wanneer studies deze holistische aanpak hanteerden, wordt dit echter wel steeds meegegeven.
De grootste koolstoflekken in natuurgebieden worden ontegensprekelijk veroorzaakt door drainage en landgebruiksveranderingen. Zeker in veenbodems zijn de koolstoflekken door drainage enorm. Bij landgebruiksveranderingen zorgen ontbossing en het omzetten van permanente graslanden naar een ander landgebruik voor torenhoge koolstofemissies. Een koolstofvoorraad in een natuurlijk systeem heeft immers veel tijd nodig om op te bouwen. Wanneer dit plots een andere bestemming krijgt, gaat er snel veel koolstof verloren. Een boerenwijsheid zegt “koolstof komt te voet, maar gaat te paard”. Vanuit een klimaatoptiek is boscompensatie dus een weinig valabel alternatief. Eigenlijk zou dan zowel het bovengronds als het ondergronds verlies in de koolstofvoorraad in rekening moeten gebracht worden, ook voor ontbossingen in het kader van natuurherstel.
Tot slot zal de door de mens veroorzaakte klimaatverandering zelf ook een grote impact hebben op de ecosystemen zoals we ze nu kennen. Drogere zomers zullen bijvoorbeeld het risico op bos- en heidebranden verhogen. Langdurige droogte kan ook zorgen voor een daling van de watertafel, of het “Birch-effect” kan optreden, waarbij ongewoon hoge respiratiesnelheden optreden wanneer droge bodems opnieuw vernatten. Om effecten die de opwarming versterken te voorkomen, maar ook om de huidige biodiversiteitscrisis tegen te gaan, zijn er gerichte maatregelen nodig voor klimaatadaptatie. Biodiverse, klimaatrobuuste natuur zal overigens in veel gevallen ook een gunstige invloed hebben op de koolstofbalans van natuurgebieden op lange termijn. Net als de koolstoflekken door landgebruiksveranderingen viel ook dit aspect buiten de scope van deze literatuurstudie, waar relevant wordt er doorheen de tekst wel beknopt op ingegaan.
Klimaateffecten van natuur(beheer) naast koolstoffluxen
Een totaalbalans van de belangrijkste broeikasgassen
Naast CO2 en CH4 spelen ook andere broeikasgassen een belangrijke rol in natuurgebieden. Zo heeft lachgas (N2O) een aardopwarmingsvermogen (GWP) dat 289 maal groter is dan CO2. De natuurlijke emissies zijn het hoogst tussen aerobe en anaerobe bodemcondities, maar vaak is deze uitstoot in natuurgebieden beperkt. Dit ligt helemaal anders in landbouwgebieden omdat N2O-emissies in belangrijke mate veroorzaakt worden door bemesting (stikstof overmaat). Toch is het ook belangrijk om deze effecten in natuurgebieden in beeld te brengen. Bij onderzoek naar beheermaatregelen wordt hier echter zelden naar gekeken.
De atmosferische temperatuur wordt niet enkel bepaald door broeikasgassen
In (half)natuurlijke ecosystemen is het aardoppervlak grotendeels bedekt met vegetatie. Deze vegetatie bepaalt in welke mate instraling van de zon gereflecteerd of geabsorbeerd wordt. Hierdoor wordt zowel de oppervlaktetemperatuur als de atmosferische temperatuur beïnvloed. Anderzijds zorgt vegetatie via evapotranspiratie ook voor wolkenvorming en neerslag, die ook een impact hebben op instraling en het klimaat. Deze veranderingen zijn vooral relevant op een grotere schaal, maar landgebruiksveranderingen en grootschalige natuurbeheeringrepen zoals de omvorming van bosbestanden kunnen hier niettemin ook in Vlaanderen een invloed hebben. Op Europees niveau zorgde de grootschalige omvorming van loofhout naar naaldhout sinds 1750 voor een hogere koolstofopslag, maar door de hierboven vermelde mechanismen ook voor een verhoging van de atmosferische temperatuur, waardoor het klimaatmitigerend effect werd tenietgedaan.