Koolstof opslaan? Dat is geen doel op zich

Organische stof is van cruciaal belang voor een vitale bodem. En niet-kerende grondbewerking alleen is onvoldoende om de organische stof in de bodem optimaal te beschermen en te laten stijgen. Het in goede banen leiden van de stromen organische stof is cruciaal. Tijd voor een college organische stof.

Organische stof is een verzamelnaam voor al het materiaal in de bodem dat afkomstig is van micro-organismen, planten en dieren. Het bestaat voor ongeveer de helft uit koolstof en wordt voor nog eens 45 procent gevormd door waterstof, zuurstof en stikstof. De rest bestaat uit de vijf andere macro-elementen: zwavel, fosfor, kalium, calcium en magnesium. En dan zijn er ook nog zo'n twintig sporenelementen, waaronder koper, ijzer, mangaan, zink, kobalt en molybdeen.

Organische stof kent vele vormen. Daarom zou je ook eigenlijk over organische stoffen moeten praten in plaats van over organische stof. Ze onderscheiden zich vooral door hun toestand: levend of dood. Zodra dode organische stoffen in contact komen met de bodem breken ze verder af. Dit proces vindt vlak onder de strooisellaag plaats, de laag met dood organisch materiaal op de bodem. De verse organische stof wordt eerst afgebroken tot kleinere stofdeeltjes, die op hun beurt ook weer worden omgezet. Zo worden grote moleculen dus gereduceerd tot kleinere en vervolgens tot de meest eenvoudige mineraal- en gasachtige elementen. We noemen dat mineralisatie. Een fysisch, chemisch maar vooral biologisch proces.

Een andere vorm van organische stof in de bodem is humeus materiaal dat ontstaat door een omgekeerd mineralisatieproces. Dit wordt humificatie genoemd en dit is een biochemisch proces. Daarbij ontstaan verbindingen en complexe moleculen uit organisch materiaal, dat op zijn beurt is voortgekomen uit mineralisatie. Deze humus is veel stabieler dan andere organische stoffen in de bodem omdat het sterk gebonden is aan bodemcomponenten, zoals mineralen. Het materiaal wordt weliswaar afgebroken, maar dat gaat heel traag. Dit proces wordt ook wel secundaire mineralisatie genoemd.

Een veiligheidssysteem

De secundaire mineralisatie van gehumificeerde organische stof bedraagt maar 1 tot 3 procent van de organische stof per jaar. Het is een soort veiligheidssysteem. Als het niet zo bestaan, zou de hoeveelheid humus in de bodem zo snel toenemen dat het bodemleven door de humus stikt. Soms werkt dit veiligheidssysteem te efficiënt. Bijvoorbeeld in bodems die te weinig organisch materiaal aangeleverd krijgen en zelf te weinig produceren. Worden die bodems bemest en op een gangbare manier bewerkt, dan versnelt dat de mineralisatie. Dat leidt uiteindelijk tot een afname van de natuurlijke bodemvruchtbaarheid en van het organischestofgehalte.

De organische stof in de bodem wordt dus op drie verschillende manieren omgezet:

via mineralisatie waarbij uiteindelijk koolstof en minerale elementen vrijkomen;
door opname in het geheel van levende biomassa, die zich voedt met de energierijke stoffen in de organische stoffen in de bodem;
door omzetting in stabiele humus.

De organische stof dient als voedsel en energie voor het bodemleven. Het wordt daarmee onderdeel van complexe voedselketens. Bodemmicro-organismen spelen een belangrijke rol bij het omzetten van organische stoffen.

Op elk willekeurig moment komen al deze vormen van organische stoffen voor in de bodem. Dat geldt ook voor alle ontwikkelingsstadia. Het is dus een dynamisch geheel van stromen van omgezette organische stoffen in de bodem. Sommige organische stoffen worden snel omgezet en blijven maar korte tijd in de bodem. Andere, zoals humus, blijft in zijn uiteindelijke fase tientallen jaren of zelfs veel langer aanwezig.

Vrije en gebonden organische stof

In de bodem bestaan twee hoofdtypen van organische stoffen naast elkaar. Ten eerste de ‘vrije’, actieve en dus gemakkelijk mineraliseerbare organische stof die van 10 maanden tot twee jaar in de bodem blijft. Relatief kort dus. Daarnaast zijn er de ‘gebonden’ organische stoffen, die veel stabieler zijn. Van deze gehumificeerde organische stoffen bedraagt de gemiddelde omzettijd meer dan 50 jaar.

De vrije organische stoffen beïnvloeden:

de biologische vruchtbaarheid van de bodem (nutriënten- en energie-opname van bodemfauna en -flora);
de voeding van het gewas (N, P, S, maar ook een niet te verwaarlozen reserve in Ca, Mg, K);
de structurele stabiliteit op de korte termijn (1 tot 2 jaar) met behulp van wortels en het mycelium van schimmels;
de bestendigheid tegen verdichting.

De gebonden organische stoffen hebben effect op:

de langetermijnstabiliteit van de bodem;
de bindingscapaciteit van het kleihumuscomplex (CEC);
de adsorptie-eigenschappen van moleculen die van buitenaf komen, zoals die van pesticiden.

Groenbemesters moeten zoveel mogelijk biomassa produceren.

De bodem is een trekker

Een bodem lijkt op een trekker. De vrije en gebonden organische stoffen vormen de brandstof. Verder is er een motor, ofwel het bodemleven en met name de microbiële biomassa. En als laatste is er ook een transmissie: de activiteit van de microbiële biomassa. Zonder één van deze componenten doet de bodem het niet. Je moet er dus voor zorgen dat de 'trekker’ in alle opzichten goed functioneert en dat er voldoende brandstof is om op vol vermogen te draaien. Het belangrijkste doel is om de belangrijkste materiaalstromen in de bodem te krijgen. Grondbewerking, een bemesting met kunstmest, irrigatie of verbranding activeert de afbraak van materiaal. Dat leidt tot een snelle terugkeer van minerale elementen in het systeem. Kleine hoeveelheden elementen worden snel in omloop gebracht. Dit zorgt weliswaar voor een betere bodemvruchtbaarheid, maar niet voor een duurzaam functionerende bodem. Door het voertuig langzamer te laten draaien, kun je grotere hoeveelheden minerale elementen vrijmaken. En hoe meer langzaam circulerende stromen van organische stoffen er zijn, hoe beter de voordelen van die organische stoffen worden benut.

We kunnen het proces ook vergelijken met de tandwielen van diezelfde trekker. Aan de ene kant zien we een klein tandwiel dat heel snel draait en veel vermogen levert, maar dat niet per definitie wordt benut. Aan de andere kant een groter tandwiel dat langzamer draait, zodat het vermogen gespreid en efficiënter vrijkomt en optimaal gericht is op de dagelijkse gewasbehoefte.

Door koolstof te volgen is te zien hoe stikstof circuleert

Bij het onderzoek van organische stoffen in de bodem worden de deeltjes op grootte gefractioneerd. Deeltjes kleiner dan 50 μm zijn gebonden of stabiele organische stof, de overige deeltjes vrije, gemakkelijk mineraliseerbare organische stof. De fractie 50-200 μm wordt als fijne deeltjes omschreven en die tussen 200 en 2.000 μm als grove deeltjes. Het aandeel vrije en het aandeel gebonden organische wordt uitgedrukt in percentages van de totale hoeveelheid organische stof. Deze gegevens zijn afhankelijk van de textuur van de bodem, het teeltsysteem en de bewerkingsmethode. In de hoofdfracties wordt ook de verhouding C/N gemeten. Dit is een betrouwbare indicator en geeft informatie over de kwaliteit van de organische stof en de verteringstoestand.

De microbiële biomassa en de activiteit moet antwoord geven op de vraag of een bodem leeft. De meting geeft aan hoe groot de microbiële biomassa is en de verhouding tussen microbiele biomassa en totale organische koolstof. Deze verhouding toont het vermogen van de bodem om bodemleven te ontwikkelen en te beschermen, en varieert tussen 0 en 5 procent. Hoe hoger, hoe beter. Een hoeveelheid microbiële biomassa onder de 100 mg koolstof per kg droge grond is erg laag. Tussen de 200 en 400 is al beter. In bodems met vollegrondsgewassen zou dit cijfer tussen de 200 en 800 mg koolstof per kg grond moeten liggen. In langdurig grasland en strooisellagen in bossen ligt de microbiële biomassa boven de 1.000 mg. Binnen de conserverende landbouw moet een microbiële biomassa van minstens 800 mg haalbaar zijn.

De verschillen tussen onbemest en bemest met boerderijmest zijn groot.

Hieronder zijn de hoeveelheid (kg/ha/10 cm) immobiele elementen in de microbiële biomassa van een bodem in Groot-Brittannië weergegeven waarop tarwe in monocultuur wordt geteeld en waar gangbare grondbewerking wordt toegepast. Er zijn grote verschillen tussen een onbemest perceel en een perceel dat bemest is met kunstmest of boerderijmest. Maar nog meer als je kijkt naar een bosbodem en een graslandperceel. Binnen de conserverende landbouw zouden de gehalten aan immobiele elementen in de microbiële biomassa die van grasland moeten kunnen benaderen. Het zou zelfs beter moeten kunnen. Het verschil tussen 26 kg en 130 kg stikstof per hectare tussen gangbaar en grasland heeft alles te maken met de natuurlijke bodemvruchtbaarheid. Het verschil is groot. Dit verklaart ook waarom je veel stikstof terugwint als je een perceel grasland omkeert. Dat heeft vooral te maken met het uiteenvallen van de microbiële biomassa.

Bron: P. Brookes, Mic. Envir., 2001: 16(3) : 131-140)

Micro-organismen in de bodem

Hebben we het over bodemfauna dan hebben we het meestal over regenwormen. Maar in de meeste bodems vinden we ook tussen de 5 en 50 ton levende organismen per hectare en tot 1.000 meter schimmeldraden per gram grond. Deze microbiële biomassa speelt een belangrijke rol in de bodem. Het bestaat voornamelijk uit bacteriën en schimmels, maar ook uit protozoa en microalgen. Ze hebben verschillende functies, waaronder:

omzetten van plantaardig en dierlijk afval;
productie van onstabiele tot zeer stabiele organische elementen;
oxidatie, reductie en neerslag van minerale ionen;
fixatie van moleculaire stikstof;
het regelen van de cycli van bio-elementen, met name van koolstof, zuurstof, stikstof, fosfor, zwavel en ijzer.

De microbiële activiteit wordt in het laboratorium gemeten met behulp van gecontroleerde incubatie (28 dagen lang, bij een bepaalde temperatuur en vochtigheid). Het doel van de meting is vooral om de hoeveelheid potentieel mineraliseerbare koolstof en stikstof te bepalen. Op deze manier worden ook hier de hoeveelheden gemakkelijk mineraliseerbare organische stof, de activiteit van deze organische stof, het aanbodpotentieel van bodemstikstof en de mate van nitrificatie in kaart gebracht. Door koolstof te volgen kun je dus zien hoe stikstof circuleert.

Groenbemesters leveren actieve organische stof

Door voldoende en hoogwaardige tussengewassen te telen, ontstaan er actieve organische stoffen. Deze worden snel omgezet door een microbiële biomassa die door deze belangrijke energiebron weer volop wordt geactiveerd.

Om organische stoffen te beschermen moet je de bodem bedekken. Gewassen en groenbemesters moeten zoveel mogelijk biomassa produceren zodat ze de organische stof van voedingsstoffen kunnen voorzien. Het is essentieel dat er veel materiaalstromen aanwezig zijn waaruit elementen langzaam, gespreid, doeltreffend en zonder verliezen kunnen vrijkomen. Een bodem kan niet zonder gehumificeerde organische stof. Die is nodig voor de structurele stabiliteit op de lange termijn. Onmisbaar voor de korte termijn is echter snel afbreekbare, snel mineraliseerbare organische stof. Wat dat betreft is het opbrengen van compost belangrijk (zie kader hieronder). Door het strooien van compost ontwikkelt zich echter geen vrije organische stof, maar structuur en stabiliteit voor de lange termijn. Om de biologische activiteit van een bodem op gang te brengen, is echter de korte termijn bepalend. Er moet zoveel mogelijk energie en snel opneembare nutriënten worden aangeleverd. Stroarme gewasresten met een laag C/N-getal en groenbemesters zijn daarvoor het meest geschikt. Drijfmest en pluimveemest bijvoorbeeld. Stalmest is belangrijk voor de microbiële biomassa en levert makkelijk mineraliseerbare organische stof.

Er zijn dus twee maatregelen nodig om een bodem met een actief bodemleven en een natuurlijke vruchtbaarheid te ontwikkelen:

nutriënten toedienen door middel van gewasresten, het telen van verschillende en gevarieerde groenbemesters als tussengewas en het gebruik van extern organisch materiaal zoals boerderijmest;
de bodem beschermen door een lichte grondbewerking en stabiliserende organische materialen opbrengen. Daarbij kan compost een rol spelen. Bij de bescherming van bodem en bodemleven moet ook nagedacht worden over het gebruik van gewasbeschermingsmiddelen (met name fungiciden) en over de noodzaak (soms) van een kalkbehandeling.

Compost zorgt op lange termijn voor structuur en stabiliteit.

Compost of toch maar niet?

Compostering is eigenlijk een versnelde humificatie. Tijdens het composteringsproces wordt de natuur nagebootst door organisch afval intensief te behandelen. Daarbij worden geoptimaliseerde aerobe biologische processen van afbraak en stabilisatie op complex organisch materiaal toegepast. Er zijn veel verschillende soorten compost. De verschillen worden door een aantal factoren bepaald: de aard van het uitgangssubstraat, de mate waarin het bewerkingsproces geoptimaliseerd wordt, de rijpheid, de textuur, het toevoeging van mineralen of andere supplementen, ga zo maar door. Tijdens het composteren verliest het substraat voornamelijk koolstof, waterstof en zuurstof en in mindere mate stikstof. Daardoor bevat compost, vergeleken met het oorspronkelijke materiaal, hogere concentraties van andere elementen zoals fosfor, zwavel, kalium, calcium, magnesium en sporenelementen. Daardoor neemt de C/N-verhouding af. Compost uit rioolslib levert veel voedingsstoffen, terwijl compost uit houtafval en schors weinig bio-elementen bevat. Het is echter wel rijk aan stoffen waaruit humus ontstaat. De impact op de bodem zal dus verschillen, afhankelijk van de oorspronkelijke soort compost.

Compost beïnvloedt de fysische, chemische en biologische eigenschappen van een bodem.

Op fysisch gebied verbetert compost de porositeit van de bodem, het watervasthoudend vermogen en waterbeschikbaarheid voor het gewas. De structurele stabiliteit van de grond wordt ontwikkeld. Deze verbetering van de fysieke capaciteiten van de bodem verloopt langzaam.
Op chemisch gebied wordt de kationenadsorptiecomplex (in het Engels: cation exchange capacity, ofwel CEC) verhoogd, maar het maximale effect ervan wordt pas na een paar jaar bereikt. Compost helpt ook om de pH te stabiliseren en om zure bodems te neutraliseren. In tegenstelling tot reguliere kunstmest brengt compost veel sporenelementen in de bodem.
Ook op biologisch niveau is het effect interessant, omdat compost, behalve de gepasteuriseerde versie, een grote en gevarieerde hoeveelheid micro-organismen bevat. Compost is ook een voedselbron voor bodemfauna en -flora.

Het effect van compost op de bodem is zeer positief. Toch moeten er geen directe effecten van worden verwacht. De uiteindelijke impact van compost die nu wordt toegediend is pas jaren later merkbaar en is dus een investering voor de lange termijn. Een slechte biologische activiteit van de bodem zal door compost niet worden gestimuleerd. Het organisch materiaal dat in grote hoeveelheden wordt verteerd, gaat verloren voor de microbiële biomassa van de bodem. Met compost wordt ook geen diversiteit aan vrije organische stof ontwikkeld of in stand gehouden en dat is nodig voor organischestofstromen. Compost brengt dus geen dynamiek. Compost levert veel minder energie dan andere bronnen van organische stof, zoals gewasresten, groenbemesters en stal- of drijfmest.