Opslag van koolstof in ecosystemen

Suzanna Lettens

, Bruno De Vos

,Jan Staes

, Sander Jacobs

(

: INBO; °:

UA-ECOBE )

1. A

De koolstofcyclus vindt plaats op meerdere schaalniveaus in ruimte en tijd. Van het globale niveau tot lokale ecosystemen en van een geologische tijdschaal tot seizoenale cycli. De samenloop van deze cycli bepaalt de CO₂ concentratie in de atmosfeer. Met het verbranden van fossiele brandstoffen en veranderingen van landgebruik zoals ontbossing worden lange termijn stocks in versneld tempo in de biogeochemische cyclus gebracht, waardoor sterk verhoogde atmosferische CO₂ concentraties ontstaan die bijdragen tot het broeikaseffect.

Naast het terugdringen van activiteiten die C vrijstellen in de atmosfeer, kan de natuurlijke koolstofopslag van ecosystemen ook de hoeveelheid CO2 in de atmosfeer verlagen. Terrestrische ecosystemen stockeren ongeveer 3 maal zoveel organische koolstof (OC) als er globaal aanwezig is in de atmosfeer. Hoe meer atmosferische CO₂ wordt vastgelegd in biomassa en bodemorganische stof, hoe minder deze kan bijdragen tot klimaatopwarming. Bodems bevatten wereldwijd meer C dan planten en atmosfeer samen, en zijn het voornaamste ecosysteem-compartiment voor C sequestratie. De bodems onder natuurlijke ecosystemen vertonen doorgaans grotere C stocks dan deze onder intensief landgebruik. De C voorraden zijn dus hoger in bosbodems en permanent grasland dan in tijdelijk grasland of akkerbodems. Bijna alle vormen van bodembewerking hebben een negatieve invloed op de C-stocks. Hoe meer biomassa in beheerde systemen ter plaatse blijft (oogstresten, maaisel, kroonhout), hoe meer C in de bodem kan worden opgeslagen. Onafhankelijk van het landgebruik bepaalt vooral de vochttoestand en het kleigehalte van de bodem de capaciteit voor koolstofopslag. Hoe natter de bodem en hoe hoger het kleigehalte, hoe meer C kan worden vastgelegd. Beheertechnische ingrepen zoals drainage verminderen de opslag, vernattingprocessen verhogen de voorraad aan bodemkoolstof. Van alle terrestrische ecosystemen stockeren bossen bovengronds de meeste C in hun biomassa en die ligt voor langere tijd vast in hout. De verblijftijd van C in grassen en gewassen daarentegen is veel korter.

Het type ecosysteem en de abiotiek bepalen dus in sterke mate de potenties voor C-opslag. De ecosysteemdienst ‘koolstofopslag’ kan maximaal geleverd worden door natuurlijke ecosystemen op vochtige tot natte, kleirijke bodems met een minimale verstoring en waarbij een belangrijk deel van de biomassa ter plaatse blijft. De basiswaarde van de ESD ‘koolstofopslag’ wordt op €183/ton C geschat. Onzekerheden bestaan er vooral over de impact van maatregelen op ecosystemen en de indirecte gevolgen van klimaatverandering, alsook over de socio-economische en politieke haalbaarheid van grootschalige landgebruikwijzigingen in Vlaanderen in functie van het maximaliseren van de koolstofopslag.

2. H

K

V

De concentratie van CO₂ en andere broeikasgassen is de laatste decennia sterk toegenomen in de atmosfeer. Het is algemeen aanvaard dat deze toename grotendeels door de mens veroorzaakt wordt en dat ze geleid heeft tot het ontstaan van het broeikaseffect (IPCC 2007). De concentraties aan broeikasgassen in de atmosfeer terugdringen of tenminste stabiliseren kan door de menselijke emissies te verminderen of door het reduceren van de in de atmosfeer aanwezige broeikasgassen. Deze tweede optie is theoretisch mogelijk via technologische oplossingen, zoals door CO₂ chemisch te binden of in luchtdichte geologische lagen te pompen. Ecosystemen kunnen echter op natuurlijke wijze (door toename van hun netto primaire productie of door het verminderen van heterotrofe respiratie) extra C uit de atmosfeer vastleggen waardoor de atmosferische concentraties verminderen. Vlaamse ecosystemen vertegenwoordigen een substantiële C-voorraad. Deze voorraad behouden door landgebruikvormen met hoge C-voorraad te beschermen moet steeds een eerste bekommernis zijn. Daarnaast kan het omvormen van C-arme gronden (zoals akkerland) naar landgebruikvormen die veel C bevatten (zoals bos of grasland) een belangrijke bijkomende C-opslag teweegbrengen. Ook een aangepast ecosysteembeheer kan atmosferische C vastleggen.

Met het Kyoto Protocol, dat geratificeerd werd in 2005, zijn de industrielanden overeengekomen om hun uitstoot van broeikasgassen in de periode 2008-2012 terug te dringen met gemiddeld 5,2 % ten opzichte van het niveau in 1990. België moet zijn uitstoot verminderen met 7,5 %, Vlaanderen met 5,2 %. Behalve maatregelen die de uitstoot door industrie, transport en huishoudens terugdringen en het aankopen van emissierechten in het buitenland, is er in het Kyoto Protocol ook plaats voor maatregelen die C-opslag in terrestrische ecosystemen bevorderen. Artikel 3.3 van het Kyoto Protocol voorziet de activiteiten bebossen, herbebossen en ontbossen en artikel 3.4 activiteiten voor het beheer van ecosystemen, namelijk bosbeheer, het opnieuw beplanten van verstoorde gronden en het beheer van landbouwgronden. België heeft deze laatste categorie echter niet mee opgenomen in zijn klimaatplan. Er moest immers jaarlijks op een betrouwbare manier over deze C-fluxen gerapporteerd worden, wat complex is en duur. Het was niet alleen onzeker of België effectief C opslaat via dergelijke maatregelen maar vooral of deze extra opslag meetbaar en aantoonbaar zou zijn.

Ondertussen zijn de onderhandelingen over maatregelen in het post-Kyoto tijdperk (na 2012) gestart. Eind 2009 werd in Kopenhagen een klimaatakkoord opgesteld dat opnieuw de doelstelling bevat om de gemiddelde mondiale temperatuurstoename te beperken tot 2°C. Sommige wetenschappers spreken van een noodzakelijke daling van de emissies met 40 % (relatief ten opzichte van het niveau van 1990) tegen 2020 en 80 % tegen 2050 willen we deze doelstelling bereiken.

3. K

-

-

3.1. Globale C-fluxen en -voorraden

De koolstofkringloop beschrijft alle processen waarmee het element koolstof door het systeem Aarde circuleert. Er worden verschillende koolstofcycli onderscheiden. Een eerste basiscyclus is de geochemische cyclus van koolstofverwering en vastlegging, die zich afspeelt op geologische

tijdschaal. Hierbij gaat het om geochemische processen, die gedurende meerdere duizenden tot miljoenen jaren plaatsvinden.

Een tweede cyclus is de lange biogeochemische koolstofkringloop. Hierbij gaat het om biochemische processen, die weliswaar in eerste instantie snel verlopen, maar gekoppeld zijn aan langlopende geologische processen. Daarbij wordt gesedimenteerd organisch materiaal onder zuurstofloze omstandigheden niet meer volledig afgebroken. Slechts een beperkt deel wordt door anaërobe bacteriën tot CH₄ omgezet. Door afdekking met bijkomende sedimentlagen en afzinken tot grotere diepten wordt druk en temperatuur verhoogd. Daardoor worden de van de lucht afgesloten organische biomoleculen omgezet in kerogeen (o.a. koolwaterstoffen of steenkool).

Een derde cyclus is de kortlopende biochemische koolstofkringloop. Hierbij gaat het om relatief snel verlopende biochemische processen van autotrofe en heterotrofe organismen. Door de fotosynthese van autotrofe organismen (planten en algen) wordt met behulp van zonlicht uit CO₂ organische stoffen gemaakt. Heterotrofe organismen zetten deze stoffen met zuurstof weer om in CO2. Bij heel wat organismen vindt onder zuurstofarme omstandigheden gisting plaats, waarbij de organische stof onvolledig in andere organische stoffen wordt omgezet en waarbij methaangas wordt vrijgesteld. Menselijke processen hebben vandaag een wereldwijde en grote impact op de koolstofcyclus. Uit de analyse van boringen in het Antarctische ijs (Fig. 3.1) blijkt dat de concentratie van koolstofdioxide tenminste in de laatste 650.000 jaar niet hoger is geweest dan 300 ml/m³. Sinds het begin van de industriële revolutie steeg de concentratie exponentieel (Fig. 3.1: De rode lijn geeft de continue metingen van GAW-Station Mauna Loa op Hawaï sinds 1958 aan).

Door de verbranding van fossiele koolstofhoudende brandstoffen (aardolie, aardgas, steenkool) komen per jaar 6,4 Gt C vrij (Fig. 3.2: cijfers voor jaren ‘90). Van de 6,4 Gt C nemen de zeeën 2,2 t C per jaar op, aangezien door de verhoogde CO₂-concentratie in de aardatmosfeer en de opwarming van de zeeën het diffusie-evenwicht verschuift naar de opgeloste koolstof. De door hetzelfde effect verhoogde fotosynthese van landplanten zorgt voor het vastleggen van nog eens 2,6 Gt C per jaar. Veranderingen in landgebruik stoten 1,6 Gt C uit. Uiteindelijk komt er dus elk jaar netto 3,2 Gt C in de atmosfeer terecht, wat leidt tot een verhoging van de CO₂-concentratie met ongeveer 1,5 ppm.

Figuur 3.1: CO2 concentratie in de atmosfeer. Waarden

voor 1958 zijn gereconstrueerde concentraties uit Antarctisch ijs (Barnola et al. 1995; Etheridge et al. 1996; Neftel et al. 1994; Siegenthaler & Wenk, 1988), waarden na 1958 zijn afkomstig van metingen in Mauna Loa (Keeling & Whorf, 2000).

Figuur 3.2: Koolstofkringloop. Pre-industriële ‘natuurlijke’ fluxen zijn aangeduid in het zwart en ‘antropogene’ fluxen in het rood. Bruto fluxen hebben een onzekerheid van minstens 20%, enkel de rekenkundige waarden die de netto balans in evenwicht brengen worden getoond. (Bron: IPCC Fourth Assessment Report, WG1)

3.2. C- opslag in terrestrische ecosystemen

Algemeen

De C-stock is als resultante van C fluxen een intrinsieke eigenschap van elk ecosysteem en wordt dus de facto ‘geleverd’. Specifieke beheeringrepen kunnen de C stock in positieve of negatieve zin beïnvloeden. Dit is gelinkt aan een traject naar een evenwichtsituatie. Bij een gedraineerde bodem zal de C-stock afnemen, terwijl bij bebossing van een akker de C-stock terug geleidelijk zal toenemen. Dit verklaart tevens de grote variabiliteit in meetwaarden (zowel voor de aanwezige stocks als de netto C uitwisseling), net omdat er meestal nog geen evenwicht bereikt is. Dat evenwicht wordt asymptotisch bereikt. Omdat op het einde van de evenwichtsituatie mineralisatie en strooiselproductie in evenwicht zijn, is er vrijwel geen netto opname of vrijstelling.

Fig. 3.3 illustreert schematisch twee componenten: een verticale component die verband houdt met de (natuurlijke) fluxen en een horizontale component die verwijst naar een antropogene sturing door beheerdaden.

De koolstofopslag wordt bepaald door (nr 1 in Fig. 3.3) de fotosynthetische primaire productie, die CO₂ vastlegt in de biomassa van het ecosysteem. Door (2) autotrofe en heterotrofe respiratie komt CO₂ vrij in aërobe omstandigheden en methaan (CH₄) in gereduceerde condities. Koolstof kan het ecosysteem tevens verlaten door (3) uitspoeling van opgeloste koolstof (DOC) of door erosie van organisch bodemmateriaal.

Beheer van de abiotiek (4) kan de C opslag sturen in positieve zin (vernatting, inbreng nutriënten) of negatieve zin (drainage, verschraling). Biotische ingrepen (5) zoals keuze voor een specifiek landgebruik (akker, grasland, bos) en binnen het landgebruik de keuze voor een welbepaalde teelt of natuurtype is bepalend voor de potenties voor C-opslag. In samenhang met een specifieke beheervorm wordt C (6) geëxporteerd uit het systeem door het oogsten van gewassen of hout, door begrazing of afvoer van maaisel. Maar ook (7) import van koolstof door (stal)mest, compost, sedimentafzet, etc. is binnen specifieke beheerdaden mogelijk.