Nutriëntencycli

Nutriëntencycli

Bodemnutriënten liggen aan de basis van goedwerkende ecosystemen en dragen dus onrechtstreeks bij aan het welzijn van mens. EcoCities onderzocht de bodemprocessen op groendaken in Vlaanderen. Maak kennis met onze onderzoekers, lees meer over onze resultaten en ontdek de visie van andere experten.

Slider

Maak kennis met onze onderzoekers

Laure Steenaerts

PhD student bij de onderzoeksgroep Milieubiologie van de UHasselt onder leiding van prof. dr. Francois Rineau en de ‘Plants and Ecosystems’ (PLECO) groep aan de UAntwerpen onder leiding van onder meer Prof. dr. Ivan Janssens.

We lieten ook enkele andere experten aan het woord

Zij lieten elk hun licht schijnen op het concept groendaken en -gevels vanuit het bodemperspectief waarin bodemprocessen voorkomen en nutriënten cycli bestudeerd worden dit alles gekaderd rond het stedelijke milieu. Dezelfde vragen, verschillende visies!

Ishi Buffam

Ishi Buffam is universitair hoofddocent aan de Swedish University of Agricultural Sciences (SLU). Zijn onderzoek richt zich op koolstof- en stikstofcycli in beken en meren, en op ecosysteemdiensten die worden geleverd door stedelijk groen, met name begroeide daken.

Lees meer →

Kees Kerkhoven

Onderzoeker bij Wageningen University and Research binnen de groep Vegetatie, Bos en Landschapsecologie.

Lees meer →

Wat zijn nutriëntencycli en waarom zijn ze belangrijk?

Nutriënten cycli zijn op zich geen ecosysteemdienst maar ze dragen wel in belangrijke mate bij aan de bodemvruchtbaarheid. Het is een ondersteunende ecosysteemdienst met een indirecte dienstbaarheid aan de mens. De bodem is het fundament en de voedingsbodem voor plantaardige en dierlijke productie zowel in de natuur als in de landbouw. De verschillen in nood aan voedingsstoffen van plantensoorten en vegetatietypen stellen gevarieerde bodemvruchtbaareidseisen vb. op een bodem die van nature qua voedingsstoffen het perfecte aanbod heeft voor het onderhoud van een heischraalgrasland is het onmogelijk om zonder bijkomende inputs suikerbieten te telen. Bodemvruchtbaarheid en de instandhouding ervan moeten dus gedefinieerd worden in functie van een welbepaalde bodembedekking of landgebruik.

Foto 1: Gesloten nutriëntencyclus zonder invloed van de mens
Foto 2: Open nutriëntencyclus met invloed van de mens

Bodemvruchtbaarheid wordt bepaald door de intensieve interactie tussen drie soorten eigenschappen van de bodem: de chemische, fysische en biologische.
De chemische bodemvruchtbaarheid: dit gaat over de minerale voedingsstoffen zoals stikstof en fosfor maar ook kalium, magnesium, calcium, zwavel en verschillende andere nutriënten spelen ook een belangrijke rol.
De fysische bodemvruchtbaarheid: dit omvat de structurele eigenschappen van de bodem zoals het samenklittingsvermogen van de bodemdeeltjes en korrelgrootteverdeling (textuur). In Vlaamse bodems vormt organische stof de belangrijkste kitstof.
De biologische bodemvruchtbaarheid: dit heeft betrekking op de interacties tussen de levende organismen in de bodem zoals bacteriën, schimmels, protozoa, nematoden, mijten, springstaarten, macrofauna zoals wormen, spinnen, duizendpoten en mollen (het bodemvoedselweb). Deze organismen zijn betrokken bij de nutriëntenkringloop, structuurvorming en ziektewering van de bodem.

Het kwantificeren van deze ecosysteemdienst in niet vanzelfsprekend. Een sleutelindicator, die zowel indicatief kan zijn voor chemische, fysische en biologische bodemvruchtbaarheid is het organische stofgehalte in de bodem. Afhankelijk van het gebruik van de bodem komt een verhoging van het organische stofgehalte de bodemvruchtbaarheid ten goede en gaan de vraag naar het behoud van bodemvruchtbaarheid en de vraag naar koolstofopslag in de bodem vaak hand in hand.

Het bodemleven zorgt ervoor dat nutriënten vanuit de afbraak van organisch materiaal, worden omgezet in een plant beschikbare vorm en dus terug door de planten kunnen worden opgenomen en geconsumeerd zodat het leven boven de grond groeit en bloeit. Het merendeel van deze organische stof blijft geconcentreerd in de bovenste bodemlaag van het bodemprofiel. De opbouw van organische stof is een langdurig proces, het duurt vele tientallen jaren of langer voordat het organische stofgehalte van de bodem structureel is verhoogd. Dit is afhankelijk van de grondsoort, het gewas en beheer.
Binnen dit onderzoek focussen we ons op de fosfor, stikstof en koolstofcyclus in de bodem.

Hoe werken de cycli van fosfor, stikstof en koolstof?

De fosfor cyclus

Fosfor is een essentieel element en is noodzakelijk voor alle leven op de planeet. Bij planten speelt fosfor een belangrijke rol bij de ademhaling en de energievoorziening. Vooral in het vroege voorjaar zorgt fosfor voor een goede wortelgroei en jeugdgroei. In de bodem wordt het voornamelijk teruggevonden onder de vorm van fosfaten: verbindingen van mineraal fosfor (P) met zuurstof (O).

Het natuurlijk fosfaatgehalte van de verschillende grondsoorten is laag. Hierdoor is het voor het telen van gewassen nodig om te bemesten. Echter, teveel onbenut fosfaat in de bodem leidt tot uit- en afspoeling naar het oppervlaktewater. Hierdoor wordt het water voedselrijker (eutroof) en dat heeft effect op de flora en fauna van het water. Dit geldt ook voor groendaken en het regenwater dat erdoor stroomt en terecht komt in het oppervlaktewater. Door de volledige fosforcyclus te bestuderen en in beeld te brengen wordt er meer inzicht verkregen in de manier waarop fosfor wordt gebruikt door de plant en hoe fosfor zich doorheen het hele ecosysteem verplaatst. Inzicht in deze cyclus zal ook bijdragen aan het efficiënter gebruik van fosfor op groendaken.

Nutriënten cycli op Vlaamse groendaken

De stikstof cyclus

De atmosfeer bestaat uit 78,08% stikstof (N2). Deze vorm van stikstof bestaat uit twee stikstof atomen die sterk aan elkaar gebonden zijn, de verbinding is niet reactief en is onbruikbaar voor planten. Stikstof is een essentieel element van onder andere aminozuren, eiwitten en DNA. Dit maakt dat planten voldoende stikstof moeten opnemen om optimaal te groeien.

Na decompositie volgt een tweede stap in de afbraak van plantenweefsels waarin de organische basisbestanddelen door micro-organismen (schimmels, bacteriën, wormen,…) omgezet worden in anorganische vormen, dit is het mineralisatie proces. Stikstof kan op die manier door de bodem zelf worden aangeleverd. Tijdens dit proces worden organische verbindingen in of op de bodem omgezet in anorganische (minerale) verbindingen (vb. nitraat, nitriet, ammonium). Deze minerale vormen van stikstof kunnen wel opgenomen worden door planten. Mineralisatie levert dus stikstof aan de bodem die beschikbaar is voor planten.

Stikstof kan ook aan de bodem worden toegevoegd onder de vorm van minerale meststoffen (kunstmest) of organische meststoffen (dierlijke mest, compost,…). De minerale meststoffen kunnen rechtstreeks door de plant worden opgenomen, terwijl de organische meststoffen eerst door micro-organismen omgezet moeten worden naar de minerale vormen van stikstof. Een nadeel aan het gebruik van meststoffen is dat er op één bepaald moment een relatief grote hoeveelheid stikstof wordt aangeleverd. Wanneer deze hoeveelheid meer is dan dat de planten kunnen opnemen, spoelt het overschot aan stikstof uit. Een deel van dit stikstof overschot zal door denitrificatie, de reductie van NO3 door micro-organismen, omgezet worden tot NOX, N2O en/of N2 (zie foto 3).

Verder kan er ook stikstof in de bodem terecht komen via stikstoffixatie, een proces waarbij bacteriën N2 vanuit de atmosfeer omzetten naar ammoniak (NH3). Sommige bacteriën leven samen met bepaalde planten (vlinderbloemigen); in ruil voor het aanleveren van bruikbaar stikstof ontvangen de bacteriën suikers en koolhydraten van de plant. Andere, heterotrofe stikstoffixerende bacteriën, halen hun energie uit decompositie van dood plantenweefsel om het N2 te fixeren.

Ondanks het feit dat er redelijk wat bruikbaar stikstof wordt geproduceerd door deze micro-organismen, is stikstof het meest limiterende element in de bodem. Ten eerste, omdat het een macro nutriënt is. Ten tweede, omdat jonge bodems geen stikstof bevatten maar wel rijk zijn aan andere mineralen. Vlaamse bodems zijn jonge bodems en zijn dus stikstof arm in vergelijking met andere nutriënten. Dit in tegenstelling tot oude, verweerde bodems (vb: tropische bodems die niet vernietigd werden tijdens de laatste ijstijd). Die zijn heel veel mineralen verloren en hebben al veel stikstof geaccumuleerd, ze zijn dus van nature stikstofrijk maar heel onvruchtbaar (door het verlies aan alle andere mineralen).

Sommige minerale vormen van stikstof zijn ook wateroplosbaar (vb. nitraat en nitriet) waardoor ze gemakkelijk uitspoelen met de regen.

Foto 3: Overzicht van de belangrijkste stikstof gerelateerde processen in de bodem onder invloed van micro-organismen. Referentie: video van Jimi Eisenstein – Understanding Our Soil: The Nitrogen Cycle, Fixers, and Fertilizer

Tot slot kan er ook stikstof uit de atmosfeer in de bodem terecht komen via stikstofdepositie. Het gaat hierbij om verbindingen zoals stikstofoxiden (NOx) en ammoniakale stikstof (NHy), die vanuit de atmosfeer via droge of natte depositie in de bodem terecht komt. Door depositie kan er een teveel aan stikstof in de bodem terechtkomen als gevolg van luchtverontreiniging, waar zowel Vlaamse als buitenlandse emissiebronnen toe bijdragen.

Binnen Vlaanderen viel het grootste deel van de stikstofdepositie in 2018 toe te schrijven aan de sectoren landbouw (40 %) en transport (8 %). Verder was 49 % van de totale stikstofdepositie het gevolg van import van atmosferisch stikstof van buiten Vlaanderen (zie grafiek 1).

Grafiek 1: Aandeel sectoren en import tot de stikstofdepositie 2018 (Ref: www.milieureapport.be)

Deze stikstofverbindingen hebben een vermestende invloed en zijn een groot probleem voor het huidige natuurbeheer met bodemverzuring en eutrofiëring tot gevolg. Stikstofdepositie is een belangrijke factor in verlies aan biodiversiteit. Planten als bramen, brandnetels en gras gaan er harder door groeien en overwoekeren andere planten. Daardoor verdwijnen ook insecten, vlinders en vogels die afhankelijk zijn van deze plantensoorten. Stikstofdioxide is bovendien ongezond voor mensen. De ecologische effecten van vermesting door stikstof zijn in Vlaanderen belangrijker geworden dan de verzurende effecten van stikstof en zwavel. Heides, schraalgraslanden en sommige bostypes zijn zeer gevoelig voor stikstofvermesting via depositie. Welke invloed stikstofdepositie heeft op groendaken is niet gekend en zal voor een gedeelte in EcoCities onderzocht worden.

Foto 4: Verspreiding van de stikstofdepositie in Vlaanderen in 2018 (Ref: www.milieurapport.be)
Nutriënten cycli op Vlaamse groendaken

De koolstof cyclus

De concentratie aan CO2 in de atmosfeer is ongeveer 40% gestegen in de laatste 150 jaar. Door de huidige manier van samenleven wordt er heel veel CO2 uitgestoten. Een deel van het CO2 wordt opgenomen door land en oceaan, de rest (ongeveer 45%) blijft in de atmosfeer aanwezig. De problemen veroorzaakt door klimaatverandering zijn voor het grootste deel te danken aan de CO2 die in de atmosfeer achter blijft (we ervaren dus maar een deel van de gevolgen van de overvloed aan CO2 die we uitstoten). De capaciteit van de natuurlijke ecosystemen om CO2 vast te leggen wordt echter momenteel gecompromitteerd door het verlies van groene ruimten door toenemende verstedelijking.

We zijn verschillende stockage plaatsen voor koolstof. De bodem speelt een cruciale rol in het vastleggen van koolstof want er zit twee keer zoveel koolstof in de bodem dan er in vegetatie en lucht zit.Planten nemen CO2 op en zetten dit om naar biomassa (wortels en bladeren) en zuurstof, dit is het fotosynthese proces. 

Een klein deel van deze koolstof komt in de bodem terecht door uitscheiding via de plantenwortels. Het grootste deel wordt naar de bodem overgebracht via afgestorven vegetatie die de strooisel laag vormt op de bodem. Het organisch materiaal wordt door micro-organismen afgebroken. Wanneer microben strooisel afbreken en de condities goed zijn, gaan ze een groot deel van de organische moleculen omzetten in microbiële biomassa in plaats van het te mineraliseren. Na de dood van de microben wordt dit humus, dit proces waarbij organisch materiaal wordt bewaard in de bodem in een stabiele vorm wordt humificatie genoemd. Omdat microben leven op het oppervlak van de bodempartikels kan microbiële organische materie binden met deze partikels en daardoor gestabiliseerd worden voor eeuwen en millennia, terwijl strooisel slechts voor decennia kan blijven bestaan. Daardoor zit er in bodems veel meer humus dan plantenstrooisel. Het proces waarbij koolstofverbindingen voor langere tijd worden gestockeerd wordt koolstofseqestratie genoemd. Strooisel met veel nutriënten en weinig lignine breekt wel snel af (er zal dus weinig strooisel zitten in die bodems), maar omdat microben er heel actief zijn wordt er heel veel humus gevormd (meer totale koolstof). Onder andere daarom zal op dezelfde plaats een sparrenbos wel meer onafgebroken strooisel bevatten dan een grasland, maar veel minder humus (en ook minder totale koolstof).

In vergelijking met strooisel wordt er meer humus gevormd uit afgestorven wortels, omdat de wortels gemakkelijker contact maken met partikels dan bladeren aan het oppervlak die via turbatie (het door elkaar werken en verplaatsen van materiaal door bodemorganismen) in de bodem gebracht moeten worden. In praktijk wordt er ook gebruik gemaakt van de humuscoëfficiënt om aan te geven hoeveel organisch materiaal er na één jaar nog aanwezig is in de bodem (25% bovengrondse plantenresten, 50% stalmest, 80% bij compost).

Foto 6: Illustratie van koolstof opslagplaatsen en koolstofbronnen. (ref: TeaComposition, using teabags to investigate leaf-litter carbon gains and losses across the world)

De werking van humificatie en mineralisatie is dus tegenovergesteld. Een gezonde bodem wordt gekenmerkt door een goede synchroniciteit in tijd en ruimte tussen de afgifte van voedingsstoffen en de opname ervan door planten en microbiële biomassa.

Landbouw-ecosystemen verliezen vaak grote hoeveelheden voedingsstoffen aan watervoerende lagen en de atmosfeer omdat synchronie niet langer wordt bereikt, zoals in systemen die overmatige invoer van chemische mest ontvangen.  

De bodem is dus een essentieel onderdeel van de koolstofcyclus, omdat het een koolstofopslag biedt op lange termijn. Dit is echter sterk afhankelijk van de microbiële activiteit in de bodem.

Dit koolstof dat vastgelegd is in humus komt voor een heel lange periode niet onder de vorm van broeikasgassen in de atmosfeer terecht. De buffer tegen stijging van atmosferisch koolstof is niet het enige voordeel dat koolstofsequestratie biedt. Meer koolstof in de bodem zorgt ook voor meer ladingen en dus worden nutriënten beter vastgehouden. Het lijmt als het ware bodempartikels aan elkaar (verhoging van het samenklittingsvermogen) en zorgt daardoor voor meer weerstand tegen erosie en meer poriën in de bodem wat leidt tot een betere waterberging en dus ook een betere weerstand tegen droogte. Gezonde bodems ondersteunen de meest diverse en dynamische habitats voor organismen, het maakt leven mogelijk van bacteriën tot en met hogere planten en zorgt voor de voeding van de veestapel en mensen.

Momenteel wordt de bodem op vele plaatsen gedegradeerd door processen zoals ontbossing, intensieve landbouw, overbegrazing, erosie en het excessief gebruik van meststoffen en pesticides. Ongeveer de helft van alle bodems ter wereld wordt momenteel als gedegradeerd beschouwd. De negatieve effecten van gedegradeerde bodems zijn velerlei:

  • Planten hebben een lagere productiviteit, wat de voedselvoorziening voor alle levende wezens op aarde compromitteert.
  • Bodemgebruik en degradatie zorgen voor de verhoogde CO2-emissie uit de bodem

Verschillende oplossingen worden voorgesteld om hierop in te spelen:

  • Simultaan werken aan klimaat adaptieve land management praktijken  zoals vb. klimaatadaptatieplannen van de verschillende overheden op landelijk en stedelijk niveau (hitte adaptatie, watermanagement,..), klimaat adaptieve voedselsystemen met klimaat adaptieve innovaties in de landbouwsector zoals innovatieve veevoeders.
  • Meer duurzame landbouw (vb. Optimalisering van agriculturele chemicaliën, aangepast bodemgebruik en begrazing)
  • Diepwortelende pereniale planten, bebossing waar mogelijk
  • Koolstof toevoegen aan de bodem (compost, menselijk afval, …)
Foto 7: Koolstof sequestratie in bodems (Ref: Carbon sequestration in soils (Francesca Cotrufo) – Global Carbon Management Workshop 2020)

EcoCities onderzoekt op welke manier groendaken en -gevels nutriënten cycli beïnvloeden en een eventuele bijdrage kunnen leveren aan deze problematieken. Er wordt onder meer onderzocht of er netto koolstof vastgelegd wordt in deze systemen, wat er gebeurt met meststoffen en hoe deze systemen de waterkwaliteit beïnvloeden.

Bodemsubstraten en hun processen op Vlaamse groendaken en -gevels

Op twaalf bestaande daken in Gent, Antwerpen en Hasselt werden in 2019-2020 seizoenaal (April, Juli, Oktober, Januari) bodem- en plantstalen genomen.

Groendak met Sedum en kruiden
Groendak met enkel Sedum planten

De totale hoeveelheid koolstof (TC) stikstof (TN) en fosfor (TP) in deze stalen werd geanalyseerd, om een idee te krijgen van de koolstof, stikstof en fosforvoorraden die aanwezig zijn op deze daken.

Foto: Bodemkern die in het labo wordt geanaliseerd en waarin stikstof, fosfor en koolstof wordt bepaald.

De daken variëren onderandere in verschillende parameters, zoals vegetatie, leeftijd, substraatdiepte en grootte. Met dit onderzoek wordt getracht om een idee te krijgen hoe belangrijk de stocks zijn voor een dak en welke parameters hierin een rol spelen.

De eerste resultaten laten zien dat het koolstofsequestratiepotentieel van extensieve groendaken eerder laag is. Doordat de typische Sedum vegetatie op deze daken nauwelijks bladeren verliest in de herfst, laag groeiend is en bestand is tegen weerextremen (hitte, droogte, koude, wind,…) is er weinig input van organische materie ten opzichte van een natuurlijk ecosysteem. Wel zien we dat de aanwezigheid van kruiden en grassen op een extensief groendak bijdraagt aan een grotere hoeveelheid koolstof en stikstof in het substraat. Eén van de redenen hiervoor is dat deze planten minder goed om kunnen met de weercondities op een groendak, en dus sneller afsterven waardoor de nutriënten in de bodem terecht kunnen komen.

Naast de twaalf bestaande daken, werden er voor het EcoCities project ook 48 experimentele groendakplots van 1m x 1m opgesteld. Deze plots werden ingedeeld in verschillende condities, met variatie in vegetatietype, substraatdiepte, toevoeging van organische materie, biochar en bemesting. In de tabel hieronder wordt hiervan een overzicht weergegeven.

Foto’s: Groendakplots in het veldlabo in Mol

Tabel 1: Overzicht van de condities van de experimentele groendakplots

Met deze plots kunnen we in een meer gecontroleerde omgeving de effecten van deze parameters (vegetatie, substraatdiepte, substraattype, bemesting, biochar) op de stocks en fluxen van koolstof, stikstof en fosfor gaan onderzoeken. Er werd in mei en september van 2019 en 2020 bodemstalen genomen. Deze werden geanalyseerd op TC, TN en TP. Ook werd stikstofmineralisatie en de decompositie van deze plots gemeten. Verder werden er van het doorsijpelend water en het regenwater op verschillende momenten stalen genomen. In deze waterstalen werden nitraten, nitrieten, fosfaten en opgeloste koolstof gemeten.

De eerste resultaten tonen zoals verwacht meer koolstof in het substraat wanneer er organische materie of biochar wordt toegevoegd. Ook is er meer stikstof aanwezig na toevoeging van extra organische materie.

Daarnaast zien we dat er meer nitraten en fosfaten uitspoelen wanneer de plots bemest worden. Verdere opvolging van deze plots zal inzicht geven van hoe de stocks en fluxen van C, N en P in een groendak veranderen doorheen de tijd.

Hou zeker ook onze resultaten pagina in de gaten waar je onze wetenschappelijke publicaties kan terugvinden.

Waterzuiveringscapasiteit

De verschillende lagen in onze bodem zuiveren het water, hierdoor is grondwater zuiverder dan oppervlaktewater. Het aantal en de aard van de lagen waarin het water zich bevindt bepaald de chemische samenstelling van het grondwater. In die zin kan het substraat van een groendak ook het water dat erdoorheen stroomt beïnvloeden. Heeft het substraat van een groendak ook een zuiverend effect op het regenwater dat erdoorheen stroomt?

Laure Steenaerts monitort gedurende 3 jaar de nutriëntencycli in het groendaksubstraat. Ook het regenwater en de kwaliteit van het drainagewater dat door de groendaken stroomt wordt hierbij onderzocht.

Waterkwaliteit van drainagewater

Opvangvat voor drainagewater uit groendakopstellingen in het veldlabo van EcoCities in Mol

In het EcoCities project beschikken we over 48 groendakplots van 1mx1m. Deze plots zijn ingedeeld in 16 condities (drie plots per conditie), die variëren in substraatdiepte (6cm of 12cm), vegetatietype (Sedum of Sedum+kruiden), de toevoeging van extra organische materie, bemesting en van biochar (een soort houtskool dat geproduceerd wordt door pyrolyse van biomassa in de afwezigheid van zuurstof). Naast het substraat en de vegetatie wordt ook het doorsijpelend water van deze plots gemonitord. De hoeveelheid nitraten, fosfaten en opgeloste koolstof wordt geanalyseerd. Groendaken zouden een filter of buffer kunnen zijn voor deze stoffen die mogelijks met het regenwater op het groendak terecht komen, enerzijds door de opname door planten en micro-organismen en anderzijds door binding met de substraatpartikels.


Voorlopige resultaten:

Groendakopstellingen in het veldlabo van EcoCities in Mol

Preliminaire resultaten tonen echter dat groendaken deze stoffen eerder afgeven dan capteren. In vergelijking met het regenwater dat op de groendaken terecht komt, bevat het doorsijpelend water gemiddeld vijfmaal meer nitraten, drie keer zoveel opgeloste koolstof en zelfs 50 maal meer fosfaten. Dit valt te verwachten aangezien het regenwater zeer lage concentraties van deze stoffen bevat, wat in combinatie met het nutriëntenrijke groendaksubstraat zorgt voor een verhoging van deze stoffen in het doorsijpelend water.

Momenteel is er geen eenduidig effect te zien van bemesting of biochar op de aanwezige nutriënten in het doorsijpelend water. Verdere opvolging en analyse van de resultaten moet hierover meer duidelijkheid geven.

Hou onze resultaten pagina zeker in de gaten om op de hoogte te blijven van onze wetenschappelijke publicaties en rapporten

Terug naar boven

Attributions of used icons: “smog” icon made by Yu Luck, KR from The Noun Project, “water” icon made by Achmad Mulyana, ID from The Noun Project, “sprout” icon made by Francesca Ameglio, IT from The Noun Project, “Ant” icon made by Alex Almqvist from The Noun Project