Onderzoek in het Bodem Hydro-Fysisch lab

Dit project streeft naar het verbeteren van de meetkwaliteit binnen een enkele meetopstelling, binnen verschillende meetopstellingen van een enkel lab, maar ook naar het mogelijk maken van ringonderzoek binnen verschillende bodemfysische laboratoria.

Meestal worden onverstoorde monsters gebruikt bij het uitvoeren van bodemfysische metingen. De resultaten zijn uiteraard afhankelijk van de bodemeigenschappen, maar ze kunnen ook beïnvloed worden door de meetapparatuur en meetprocedures.

Het herhalend vernatten, drogen en verhitten, dat veelvuldig aan bodemmonsters plaats vindt, vormt een extra uitdaging. Referentiemonsters moeten immers in de tijd zo stabiel mogelijk blijven. Elke verandering van de poriën, bijvoorbeeld als gevolg van dichtslibbing door microbiële activiteit of door in- en uitspoeling van (bodem)deeltjes, moet zoveel mogelijk worden voorkomen.

Kleigronden zwellen als ze vochtiger worden en krimpen als ze uitdrogen. Dit veroorzaakt kleine, maar meetbare veranderingen van het maaiveldniveau. Omdat er behoefte is aan metingen van het waterbergend vermogen van gronden op grote schaal met een hoge resolutie doet Bram te Brake, van de groep Bodemfysica en Landmanagement van Wageningen University & Research, hier onderzoek naar. Hij bestudeert momenteel de mogelijkheden om zwel en krimp van kleigronden op grote schaal te kunnen meten om daarmee de verandering van de berging van het bodemwater te kunnen inschatten. De verschillende schalen van de bodemfysische processen vragen om een innovatieve combinatie van kleinschalige laboratoriummetingen, veldwaarnemingen en remote sensingtechnieken.

Grootschalige metingen van hydrologie en bodemfysica berusten tegenwoordig voor een aanzienlijk deel op remote sensingtechnieken. Sateliet Interferometrie (InSAR) is een techniek dat het mogelijk maakt om oppervlakteveranderingen van de bodem waar te nemen met een resolutie van enkele millimeters tot enkele centimeters. Dit kan het gevolg zijn van het zwellen of krimpen van klei. Relaties tussen de hoeveelheid bodemvocht, bodemvolume en de output van bodemvochtsensoren zijn echter niet zondermeer te koppelen. Dit komt door de combinatie van de bijzondere eigenschappen van klei om te kunnen zwellen en te krimpen en door zijn mineralogische en hydrologische eigenschappen.

In het bodemfysisch laboratorium zijn technieken aanwezig waarmee de relaties tussen het vochtgehalte van de bodem, krimpscheuren en sensoroutput vast zijn te stellen. Er zijn zowel veldmetingen uitgevoerd als metingen in het bodemfysisch laboratorium om de relatie tussen het volume van klei-aggregaten en het vochtgehalte van de bodem te kwantificeren. Beide methoden duiden op een sterk lineair verband tussen het volume en het vochtgehalte van de bodem. Deze relatie kan worden gebruikt om de veranderingen in de hoogte van het maaiveld te vertalen naar veranderingen in het vochtgehalte.

De mogelijkheden en beperkingen van deze benadering bij het gebruik van Radar Interferometrie zijn onderzocht. Het onderzoek duidt op een groot toepassingsgebied van deze nieuwe techniek, maar er zijn ook duidelijke beperkingen in begroeide gebieden. Het is daarom noodzakelijk om meetgebieden zorgvuldig te selecteren. Nieuwe satelietmissies en de nu in ontwikkeling zijnde analysetechnieken bieden goede kansen voor het gebruik van Radar Interferometrie in bodemfysisch onderzoek. Bodemfysische metingen in het laboratorium en in het veld zijn van cruciaal belang bij het onderzoek naar de onderliggende processen en bij het kalibreren en valideren van observaties met remote sensing.

Samen met collega’s van het Trinity College in Dublin, de University of California in Davis en het International Center for Tropical Agriculture in Cali, Colombia, hebben onze onderzoekers ontdekt dat er een flinke toename in de uitstoot is door regenwormen: 33% voor kooldioxide en zelfs 42% voor lachgas. Het team verzamelde de resultaten van 57 eerder gepubliceerde experimenten over de manier waarop regenwormen de nettoproductie van de twee broeikasgassen lachgas (N2O) en koolzuurgas (CO2) beïnvloeden. Ook hun invloed op de organische koolstof in de bodem werd meegenomen.

Promovendus Ingrid Lubbers toonde dit aan met behulp van een zogenaamde meta-analyse, een manier om data uit veel uiteenlopende studies samen te voegen en te analyseren. Zo destilleerde zij verschillen en overeenkomsten tussen studies. In combinatie met eigen experimenteel onderzoek blijkt het gemiddelde effect van regenwormen op lachgasproductie vrijwel buiten kijf te staan. Het effect van wormen op koolstofstromen is echter minder eenduidig. Er waren studies die een toename in CO2-emissies rapporteerden, terwijl andere publicaties concluderen dat wormen de koolstofopslag in de bodem bevorderen, waarbij het negatieve effect van lachgasuitstoot teniet kan worden gedaan of zelfs kan worden overgecompenseerd. Maar na de meta-analyse werd een helder patroon zichtbaar: regenwormen verhogen de uitstoot van koolzuurgas vanuit de bodem gemiddeld met 33% en die van lachgas met 42%, terwijl er geen enkele aanwijzing is dat regenwormen het gehalte aan organisch materiaal in de bodem veranderen.

Regenwormen mengen organische plantenresten door de bodem, die daar gemakkelijker worden afgebroken en waarbij CO2 vrijkomt. Bovendien werkt het darmsysteem van de regenworm als een broedstoof voor micro-organismen, waardoor de activiteit van de lachgas-producerende bacteriën wordt geprikkeld. En regenwormen maken met hun gewoel door de grond zoveel gangen dat lachgas gemakkelijker kan ontsnappen naar de atmosfeer voordat het omgezet kan worden naar het onschadelijke stikstofgas. Regenwormen verhogen dus via een combinatie van mechanismen de emissies van beide broeikasgassen.

Wormen lijken de lachgasuitstoot het sterkst te vergroten in bodems met een hoog gehalte aan organische koolstof. Dat zou erop kunnen duiden dat verhoogde lachgasemissies een onlosmakelijk gevolg zijn van het opslaan van extra koolstof in de bodem. Jan Willem van Groenigen denkt hiermee een belangrijk mechanisme in de opwarming van de aarde op het spoor te zijn. “Bodems zijn een sterspeler in het klimaatverhaal,” zegt hij. “Er zit meer koolstof in organische vorm in de bodem dan als kooldioxide in de atmosfeer.” Landbouwgronden zijn verreweg de grootste bron van lachgas, vooral door het opbrengen van grote hoeveelheden (kunst)mest. Relatief kleine veranderingen in de broeikasgasbalans van de bodem kunnen derhalve grote gevolgen hebben voor klimaatverandering. “Het is ironisch dat regenwormen, die we in de duurzame landbouw trachten te bevorderen omdat ze goed zijn voor de bodemvruchtbaarheid, tegelijkertijd een ongewild effect hebben op de uitstoot van broeikasgassen." Het regenworm/broeikasgas probleem is daarmee nog verre van ontrafeld. “We hebben vooral meer lange termijn experimenten, en experimenten met groeiende planten nodig voor we weten in hoeverre wereldwijde verworming leidt tot wereldwijde verwarming,” concludeert Ingrid Lubbers.