Intensifying phosphorus limitation accelerates the global decline of the CO₂ fertilization effect

Decennialang heeft het land op aarde gefungeerd als een massief schild tegen klimaatverandering, waarbij het ongeveer een derde van de koolstofdioxide die mensen in de lucht brengen, heeft geabsorbeerd. Dit vermogen berust op een fenomeen dat wetenschappers het koolstofdioxide-bemesttingseffect noemen. Denk aan het als een natuurlijke boost: naarmate de atmosfeer voller wordt met koolstofdioxide, groeien planten over het algemeen sneller en groter omdat ze meer van de grondstof hebben die ze nodig hebben om bladeren en hout te bouwen. Deze extra groei heeft het tempo van de wereldwijde opwarming helpen vertragen. Echter, recente waarnemingen suggerenen dat deze helpende boost afneemt. De vraag die onderzoekers al jaren wakker houdt, is waarom. Jarenlang was de leidende theorie dat de planten water tekortkwamen, of dat de lucht te droog werd voor hen om te gedijen. Maar een nieuwe studie suggereert dat het verhaal complexer is, en wijst naar een andere, vaak over het hoofd geziene schaarste die het vermogen van de planeet om koolstof op te zuigen stilletjes ondermijnt.

Een team van onderzoekers, onder leiding van Jing Peng van Sun Yat-sen Universiteit, zette zich scharpe om dit afnemende effect te onderzoeken. Ze combineerden langdurige satellietbeelden van plantengroei met complexe computersimulaties die bijhouden hoe koolstof, stikstof en fosfor door de bodem en planten bewegen. Hun doel was om te zien of de afname in plantengroei werd gedreven door droge omstandigheden of door een gebrek aan voedingsstoffen, specifiek fosfor. Fosfor is een essentieel mineraal dat planten nodig hebben om energie op te slaan en DNA op te bouwen, maar in tegenstelling tot stikstof, dat uit de lucht kan worden opgenomen, moet fosfor uit gesteenten in de bodem worden gewonnen. De onderzoekers ontdekten dat hoewel waterstress een rol speelt, dit niet het hele verhaal is. In feite zijn planten in veel delen van de wereld niet aan het lijden onder een gebrek aan regen. In plaats daarvan lopen ze tegen een muur aan omdat ze niet genoeg fosfor kunnen krijgen om de extra koolstof bij te houden die ze proberen te gebruiken.

De studie richtte zich op de jaren tussen 1982 en 2015, een periode waarin de concentraties atmosferische koolstofdioxide gestaag stegen. Het team mat hoeveel extra plantengroei er plaatsvond voor elke toename in koolstofdioxide, een snelheid die wereldwijd daalt. Ze ontdekten dat deze daling het snelst plaatsvond in specifieke regio's waar de fosforbeperking intensiever werd. Deze gebieden, die onder meer delen van de tropen en de noordelijke hoge breedtegraden omvatten, zagen het koolstofdioxide-bemesttingseffect afnemen met een snelheid van ongeveer 2,28 procent voor elke toename van 100 delen per miljoen koolstofdioxide. Dit was iets sneller dan het wereldwijde gemiddelde en merkbaar sneller dan in andere regio's. Cruciaal was dat de onderzoekers de weergegevens voor deze specifieke gebieden controleerden en vaststelden dat zij niet te maken hadden met zwaardere droogtes of hogere temperaturen dan de rest van de wereld. In sommige gevallen was het klimaat zelfs milder. Deze mismatch betekende dat de snellere afname in plantengroei niet de schuld kon krijgen van het weer.

Om te begrijpen wat er binnen de planten gebeurde, keken de onderzoekers naar de chemische balans van hun bladeren. Ze vonden dat in de regio's waar de groeiboost het snelst afnam, de verhouding tussen stikstof en fosfor in de bladeren verschoof op een manier die duidde op een ernstig tekort. Terwijl planten probeerden sneller te groeien door de extra koolstofdioxide, vroegen ze meer fosfor, maar de bodem kon dit niet snel genoeg leveren. Dit creëerde een flessenhals. De computersimulaties toonden aan dat dit tekort aan voedingsstoffen net zo krachtig een beperkende factor werd voor de plantengroei als de droogte van de lucht. In deze fosforbeperkte zones was het gebrek aan voedingsstoffen effectief bezig de voordelen van de extra koolstofdioxide teniet te doen. De planten probeerden te groeien, maar ze raakten de essentiële ingrediënten kwijt die nodig zijn om hun lichaam op te bouwen.

De impact van deze bevinding varieert afhankelijk van het type bos. De studie toonde aan dat gemengde bossen, die gebruikelijk zijn in de noordelijke hoge breedtegraden, het meest kwetsbaar waren. In deze gebieden daalde het vermogen van planten om extra koolstofdioxide voor groei te gebruiken met bijna 5 procent voor elke stijging van 100 delen per miljoen koolstof. In contrast hiermee vertoonden groenblijvende loofbossen in de tropen, die zich over miljoenen jaren hebben aangepast aan fosforarme bodems, veel minder afname. Deze tropische bomen hebben slimme strategieën ontwikkeld om fosfor efficiënt te recyclen, waardoor ze hun groeivoordeel langer kunnen behouden. Echter, de snelle afname in de noordelijke bossen is een grote zorg, omdat deze ecosystemen momenteel belangrijke drijvers zijn van de wereldwijde koolstofput. Als hun vermogen om koolstof te absorberen sneller afneemt dan verwacht, is de natuurlijke verdediging van de planeet tegen klimaatverandering minder robuust dan voorheen werd aangenomen.

De onderzoekers volgden ook de stroom van voedingsstoffen door het gehele ecosysteem, van levende bomen tot dode bladeren en de bodem eronder. Ze ontdekten dat de verhouding tussen koolstof en fosfor toenam in al deze pools, wat betekent dat koolstof veel sneller in het systeem wordt opgeslagen dan fosfor kan worden aangevuld. Deze onbalans suggereert een zelfversterkende cyclus: naarmen groeien, leggen planten meer koolstof vast, maar de fosfor die nodig is om die groei te ondersteunen, blijft schaars. De dode bladeren die op de grond vallen, worden rijker aan koolstof maar armer aan fosfor, wat het ontbindingsproces vertraagt en de terugkeer van voedingsstoffen naar de bodem verder beperkt. Dit creëert een feedbackloop waarbij de handeling van het sneller groeien uiteindelijk leidt tot een groter tekort aan de voedingsstoffen die nodig zijn om te blijven groeien.

Deze studie daagt de langgehouden aanname uit dat water de primaire beperking is voor hoeveel koolstof het land kan absorberen. Hoewel droogte zeker van belang is, geeft het onderzoek aan dat in veel plaatsen de werkelijke flessenhals de beschikbaarheid van fosfor is. De auteurs suggereren dat huidige computermodellen die worden gebruikt om toekomstige klimaatverandering te voorspellen, dit dynamische nutriëntencyclusproces vaak over het hoofd zien. Door geen rekening te houden met hoe de fosforbeperking in de loop van de tijd intensiveert, kunnen deze modellen overschatten hoeveel koolstof de bossen van de aarde in de komende decennia zullen kunnen opslaan. Als het land niet zoveel koolstof kan absorberen als we hopen, zal de concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer sneller stijgen, wat leidt tot snellere opwarming. De bevindingen dienen als een herinnering dat de systemen van de aarde diep met elkaar verbonden zijn, en dat het oplossen van de klimaatpuzzel vereist dat we niet alleen kijken naar de lucht en het water, maar ook naar de onzichtbare chemie van de bodem onder onze voeten.