Drought increases soil nitrous oxide emissions and nitrogen availability under plant cover in arable soils

De lucht die we inademen bevat een stille, onzichtbare speler in het klimaatverhaal: lachgas. Hoewel kooldioxide vaak de krantenkoppen haalt vanwege zijn rol bij het opwarmen van de planeet, is dit andere gas veel krachtiger in het vasthouden van warmte, molecuul voor molecuul. Het ontsnapt uit de bodem, grotendeels als een bijproduct van de manier waarop microben stikstof afbreken, een nutriënt die essentieel is voor het plantenleven. Boeren voegen stikstof toe aan hun velden om gewassen te helpen groeien, maar wanneer die stikstof ongebruikt in de bodem blijft liggen, kunnen microben het omzetten in lachgas, dat vervolgens naar de atmosfeer drijft. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat water een enorme rol speelt in dit proces. Wanneer de bodem nat is, is er weinig zuurstof aanwezig, en schakelen microben over naar een modus die meer van dit gas produceert. Wanneer de bodem droog is, vertraagt het proces meestal en dalen de emissies. Maar naarmate het klimaat verandert en meer frequente en intense zomerse droogtes brengt naar plaatsen zoals Noord-Europa, is er een nieuwe vraag ontstaan: houdt deze eenvoudige regel nog steeds stand wanneer planten in die droge bodem groeien?

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Helsinki zette zich in om dit te beantwoorden door een gecontroleerde wereld te creëren in een kas. Ze wilden zien hoe de aanwezigheid van levende planten het verhaal van lachgas verandert wanneer de bodem uitdroogt. Ze vulden potten met kleigrond die verzameld was op een onderzoeksboerderij en zetten een eenvoudig experiment op. Sommige potten werden volledig kaal gelaten, wat de bodem zonder vegetatie vertegenwoordigde. Andere werden beplant met haver, een gangbaar gewas. Sommige van die haverpotten bevatten ook een tweede plant, ofwel Italiaans raaigras of alfalfas, om te zien of verschillende combinaties van planten een verschil maakten. De helft van deze potten werd vochtig gehouden, wat een normaal groeiseizoen simuleerde, terwijl de andere helft werd toegelaten uit te drogen om een droogte te simulken. De onderzoekers volgden het proces vervolgens nauwlettend door te meten hoeveel lachgas er gedurende bijna zes weken uit de bodem ontsnapte, terwijl ze ook bijhielden hoeveel stikstof de planten absorbeerden en wat er gebeurde met de resterende stikstof in de aarde.

De resultaten onthulden een verrassende wending in de relatie tussen planten, droogte en emissies. In de potten zonder planten gedroeg de droge bodem zich precies zoals verwacht: het gebrek aan water vertraagde de microben, en de hoeveelheid vrijgekomen lachgas daalde drastisch, met bijna 80 procent vergeleken met de vochtige bodem. Echter, het verhaal was volkomen anders in de potten met planten. Wanneer de bodem uitdroogde, zorgden de planten er niet voor dat het gas ophield te ontsnappen; in plaats daarvan namen de emissies uit de beplante bodem zelfs toe, stijgend tot twee tot vier keer hoger dan in de vochtige omstandigheden. Dit was een contra-intuïtieve bevinding, die suggereert dat de aanwezigheid van levende wortels de manier waarop de bodem op een gebrek aan water reageert, fundamenteel verandert.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, keken de onderzoekers dieper naar de bodemchemie. Ze ontdekten dat in de droge, kale bodem stikstof gewoon daar lag, ongebruikt en opgeslagen. Maar in de droge bodem met planten gebeurde er iets anders. De planten bleven stikstof opnemen, maar de droogte leek ook de manier waarop microben het verwerkten te veranderen, wat leidde tot een ophoping van een specifieke vorm van stikstof genaamd nitraat. Zelfs terwijl de planten nog groeiden en voedingsstoffen opnamen, creëerde de combinatie van dit extra nitraat en de koolstof die de planten vanuit hun wortels vrijgaven een perfecte storm voor de microben om meer lachgas te produceren. De planten hadden niet gestopt met het vormen van het gas; ze hadden onbedoeld de brandstof geleverd waardoor de productie toenam wanneer het water verdween.

De studie onderzocht ook of het type plant uitmaakte. Ze vergeleken haver die alleen groeide tegenover haver gemengd met raaigras of alfalfas. Hoewel de verschillende planten lichte variaties vertoonden in hoeveel stikstof ze uit de bodem trokken, bleef het algemene patroon hetzelfde: enige plantbedekking verminderde de emissies vergeleken met kale grond, maar droogte veroorzaakte een stijging van de emissies in alle beplante behandelingen. De onderzoekers merkten op dat de alfalfas, die zelf stikstof uit de lucht kunnen fixeren, niet drastisch anders reageerden in deze korte experiment, waarschijnlijk omdat de planten nog jong waren en hun complexe wortelstelsels nog niet volledig hadden ontwikkeld. De dominante factor was simpelweg de aanwezigheid van vegetatie versus kale aarde, en de verschuiving van nat naar droog.

Deze bevindingen dagen de aanname uit dat droogte altijd leidt tot lagere emissies. Hoewel droge, kale bodem de release van lachgas inderdaad onderdrukt, kunnen diezelfde droge omstandigheden een piek in de emissies triggeren als er planten aanwezig zijn. De onderzoekers suggereren dat dit gebeurt omdat de planten de bodem levend houden met koolstof, en de droogte zorgt voor een ophoping van nitraat dat de microben vervolgens omzetten in gas. Dit heeft belangrijke implicaties voor hoe we land beheren. Als een veld tijdens een droge periode kaal wordt gelaten, kan het minder gas uitstoten, maar zodra het weer regent, zou dat geaccumuleerde nitraat in een enorme puls kunnen worden vrijgegeven. Omgekeerd helpt het behoud van plantengroei, zelfs tijdens droge periodes, om die stikstof vast te leggen in de plantbiomassa, waardoor de opbouw in de bodem wordt voorkomen. De studie suggereert dat het in stand houden van goede plantengroei een sleutelstrategie is om de lachgasniveaus laag te houden, niet alleen tijdens natte seizoenen, maar juist wanneer het weer droger wordt.

Het experiment werd uitgevoerd over een periode van 39 dagen, wat een relatief korte tijd is in het leven van een plant of een bodemecosysteem. De onderzoekers erkenden dat deze resultaten de vroege stadia van groei weerspiegelen en dat de dynamiek kan verschuiven naarmate planten rijpen en hun wortelstelsels complexer worden. Ze merkten ook op dat hoewel hun gecontroleerde kasomgeving hen in staat stelde de effecten van droogte en plantbedekking te isoleren, echte velden onderhevig zijn aan wind, temperatuurschommelingen en andere variabelen die de uitkomst kunnen veranderen. Desalniettemin biedt de data een duidelijk beeld van een mechanisme dat voorheen over het hoofd was gezien: planten zitten niet alleen passief in de grond; ze vormen de chemische omgeving actief om en daarmee kunnen ze een droogte van een onderdrukker van emissies in een trigger voor emissies veranderen.

De bredere les is er een van balans. De landbouw is afhankelijk van het beheer van stikstof om gewassen te voeden, maar diezelfde stikstof is een bron van krachtige broeikasgassen. De studie benadrukt dat de oplossing niet simpelweg is om velden braak te laten liggen tijdens droge periodes, noch om aan te nemen dat droge bodem altijd een veilige haven is tegen emissies. In plaats daarvan fungeert de aanwezigheid van gezonde, groeiende vegetatie als een buffer, die stikstof absorbeert die anders in de bodem zou blijven liggen, wachtend om in gas te worden omgezet. Door ervoor te zorgen dat gewassen goed groeien en zelfs onder waterstress blijven groeien, kunnen boeren het risico op grote, plotselinge vrijgaven van lachgas verkleinen wanneer de regen uiteindelijk terugkeert. Dit werk voegt een nieuwe laag toe aan ons begrip van de bodem, waarbij het laat zien dat de interactie tussen de wortels van een plant en de droge aarde een complexe dans van chemie is die bepaalt hoeveel warmteabsorberend gas er in onze atmosfeer ontsnapt.