Naarmate de temperatuur op aarde stijgt, vooral in gebieden op hoge breedtegraden, ondergaan bodemmicroben een cruciale verschuiving in de manier waarop ze voedingsstoffen verwerken. Traditioneel fungeren deze microben als recyclers, waarbij ze stikstof omzetten in vormen die planten kunnen gebruiken. Uit nieuw onderzoek uit IJsland blijkt echter dat de opwarming van de bodem ervoor zorgt dat microben intern stikstof vasthouden, waardoor de hoeveelheid die beschikbaar is voor plantengroei afneemt en de klimaatverandering mogelijk wordt verergerd. Deze verandering verstoort de natuurlijke nutriëntencyclus, met verstrekkende gevolgen voor de vegetatie en de atmosferische broeikasgasniveaus.
Een natuurlijk experiment in IJsland
De bevindingen komen voort uit een uniek langetermijnonderzoek uitgevoerd in subarctische graslanden nabij Hveragerði, IJsland. Een reeks aardbevingen in 2008 creëerde onbedoeld een natuurlijk laboratorium: geothermische activiteit verwarmde stukken grond met 0,5°C tot 40°C boven normaal, waardoor onderzoekers de reacties van ecosystemen onder aanhoudende opwarmingsomstandigheden konden observeren. Dit natuurlijke experiment bood een zeldzame kans om te bestuderen hoe microben zich aanpassen aan langdurige temperatuurstijgingen op een manier die gecontroleerde laboratoriumomstandigheden niet volledig kunnen repliceren.
Onderzoekers gebruikten stikstof-15 om de voedingsstroom te volgen en ontdekten dat microben na een aanvankelijk verlies van stikstof uit de bodem steeds conservatiever werden. In plaats van ammonium vrij te geven – een voor planten bruikbaar stikstofbijproduct – begonnen ze stikstof intern te recyclen. Dit gedrag, door een onderzoeker beschreven als het microbiële equivalent van ‘urine vasthouden’, vermindert de beschikbaarheid van stikstof voor planten.
De implicaties voor ecosystemen
Deze microbiële hamstering heeft zowel positieve als negatieve effecten. Aan de ene kant voorkomt het verder stikstofverlies door uitloging of atmosferische uitstoot in de vorm van lachgas, een krachtig broeikasgas. Het intensiveert echter ook de concurrentie tussen planten en microben om de beperkte stikstofvoorraden.
Het delicate evenwicht tussen plantengroei (het absorberen van koolstof) en microbiële afbraak (het vrijgeven van stikstof) wordt verstoord. Als microben prioriteit geven aan hun eigen behoeften, kan de plantengroei vertragen, waardoor het vermogen van het ecosysteem om de CO2-uitstoot te compenseren afneemt. Dit zou de opwarming kunnen versnellen in plaats van verzachten, waardoor de aannames in sommige klimaatmodellen worden ondermijnd.
Vroege opwarming is van cruciaal belang
Onderzoekers bestuderen nu de beginfase van de opwarming van de bodem om te bepalen wat er gebeurt voordat er aanzienlijk verlies aan voedingsstoffen optreedt. Het overplanten van normale bodems naar verwarmde gebieden suggereert dat de meeste uitputting van voedingsstoffen al vroeg plaatsvindt, binnen de eerste vijf tot tien jaar na de opwarming. Deze bevinding benadrukt dat de meest schadelijke effecten optreden tijdens de beginfase van de temperatuurstijging, waardoor snel ingrijpen cruciaal is.
Een dreigende koolstof-feedbacklus
De studie benadrukt een mogelijke onderschatting in klimaatmodellen met betrekking tot de bijdrage van stikstof uit koude bodems en koolstofverlies aan de opwarming van de aarde. Arctische bodems slaan enorme hoeveelheden gedeeltelijk afgebroken organisch materiaal op – een enorm koolstofreservoir. Bij hogere temperaturen neemt de microbiële activiteit toe, waardoor de afbraak wordt versneld en er meer koolstofdioxide vrijkomt.
De verwachting dat planten onder warmere omstandigheden krachtiger zouden groeien en deze overtollige koolstof zouden opnemen, wordt nu in twijfel getrokken. In plaats daarvan vermindert het hamsteren van microben de beschikbaarheid van stikstof, verzwakt de plantengroei en vermindert het vermogen van het ecosysteem om als koolstofput te fungeren. Dit creëert een gevaarlijke feedbackloop: minder plantengroei, armere bodems en aanhoudende uitstoot van broeikasgassen.
Voorbehoud en toekomstig onderzoek
Hoewel baanbrekend, erkent de studie beperkingen. De geothermisch verwarmde bodems weerspiegelen mogelijk niet perfect de patronen van de opwarming van de aarde, waaronder stijgingen van de luchttemperatuur, en niet alleen opwarming op wortelniveau. Bovendien verschillen de IJslandse vulkanische bodems van de turfrijke Arctische landschappen in Scandinavië en Rusland. Verder onderzoek in diverse Arctische omgevingen is van cruciaal belang om deze bevindingen te bevestigen.
Deze bevindingen onderstrepen een cruciaal maar over het hoofd gezien aspect van de klimaatverandering: de complexe wisselwerking tussen microben, planten en nutriëntencycli. Het negeren van deze dynamiek zou kunnen leiden tot onnauwkeurige klimaatvoorspellingen en ineffectieve mitigatiestrategieën.
