Verbeterde voedselproductie (11): bodemkoolstof en bodemvocht

Zoals in de vorige blog aangegeven, is koolstof van groot belang voor de bodem, vanwege allerlei aspecten: De bodem structuur verbeterd bijvoorbeeld (de bodemaggregaten zijn stabieler), de structuur wordt beter, waardoor de beluchting verbeterd, maar ook het cation-exchange-complex en daarmee de bodemvruchtbaarheid wordt verbeterd, het water vasthoudend vermogen wordt vergroot etc.
Dit laatste aspect: het watervasthoudend vermogen, daar gaat deze blog over. Koolstof blijkt een belangrijke sponswerking te hebben. Met meer koolstof in de bodem neemt de bodem meer water op in tijden van regen en houdt het dit water beter vast, waardoor flashfloods minder snel ontstaan en na de regen de periodes van droogte minder erg worden. Zonder deze organische koolstof, wordt de bodem daarmee ook kwetsbaarder voor droogtes, terwijl periodes met weinig regen juist meer gaan voorkomen door klimaatverandering. De sponswerking van de bodem is dan juist van nog groter belang.

Theoretische achtergrond relatie tussen koolstof en bodemvocht

De organische koolstof zorgt dus voor een betere bodemgesteldheid: een open bodem, met goede beluchting en voorkomt dichtslaan van de bodem, waardoor water kan infiltreren. Morris (2004) heeft een uitgebreid onderzoek gedaan naar de impact van humus op het watervasthoudend vermogen. Hij zegt het volgende in zijn onderzoek:

"The combination of spectroscopic analysis, electron micrographs and water release characteristics used by Kay (1997), produced an organic carbon (humus) to water-holding capacity ratio of 1: 2.6 to 6.5, corresponding with the estimated humus : water ratio established by Waksman (1936) 1 part humus held 4 to 6 parts water, and field trials by Always and Neller (1919) 1 part humus held 4 parts water and Wheeler and Ward (1998) 1 part humus held 4 parts water (Based on USDA figures)"

Tegelijkertijd zegt hij ook het volgende:

"Podolinsky (1985) stressing the colloidal properties of humus estimated that humus is capable of holding 75% of its volume in water, adding that the water will neither evaporate or leach out."

Met dit tweede citaat wordt weinig gedaan in het onderzoek, en op basis van het eerste citaat wordt uitgegaan van een watertoevoeging aan de bodem van 4 g water per gram koolstof. In deze publicatie van Dr Christine Jones, wordt - uitgaande van een dichtheid van 1,2 g/cm³ van organisch koolstof - uitgerekend dat verhoging van het koolstofgehalte in de bovenste 30 cm bodem met 1 % resulteert in een toevoeging van 14,4 l water/m² geeft, wat overeen komt met 14,4 mm water.

Verandering SOC [%]	Verandering SOC [kg/m2]	Extra water [l/m2]	Extra water [mm]
1%	3,6	14,4	14,4
2%	7,2	28,8	28,8
3%	10,8	43,2	43,2
4%	14,4	57,6	57,6

De grote vraag is echter, of dit een mooie theoretische exercitie is, of dat dit ook in het veld wordt teruggevonden.

Veldonderzoek naar relatie tussen koolstof en bodemvocht

Wat betreft water vasthoudend vermogen is de impact afhankelijk van de grondslag. Algemeen kan worden gesteld dat de impact van koolstof op het water vasthoudend vermogen van de bodem groter is bij grovere bodems, bij kleibodems blijkt er nagenoeg niet meer water te worden vastgehouden: deze bodems houden immers al goed water vast. Bij zandige bodems kan de toename van het water vasthoudend vermogen echter significant zijn.
Deze overzichtsstudie (door B. Minasny et al) heeft 50.000 bodemmonsters uit 60 verschillende studies meegenomen in het onderzoek. Hierbij is voor 3 verschillende bodemtypegroepen bepaald hoe sterk het water houdend vermogen is veranderd door meer organische koolstof.

Eén van de resultaten uit deze studie zijn in onderstaande figuur weergegeven. Ze laten vioolplots zien (verdeling van de gehele datareeks met als zwarte punt de gemiddelde waarde) van SAT (verzadigd), FC (veld capaciteit), WP (verwelkingspunt) en AWC (beschikbare water capaciteit). Op de verticale as is weergegeven de verandering van de volumetrische water hoeveelheid / de verandering van het organisch koolstofgehalte. Het is uitgedrukt in het aantal mm water/100 mm bodem bij een toename van 10 g koolstof per 1 kg bodem; dus het aantal mm extra water in de totale 100 mm bodem per % extra koolstof in de bodem. De belangrijkste factor hierbij is de AWC, wat de toename van het beschikbare water weergeeft.

Bron: https://www.researchgate.net/publication/320257797 - Limited effect of organic matter on soil available water capacity: Limited effect of organic matter on soil water retention

	1 general	2 coarse	3 Medium	4 Fine
	Alle monsters gemiddeld	0 - 35% klei 44 - 100% zand	0 - 40% klei 0 - 52% zand	36 - 100% klei 0 - 64% zand
SAT	2,95	4,59	3,59	3,23
FC	1,61	2,33	2,11	1,28
WP	0,17	0,86	0,68	0,54
AWC	1,16	1,94	1,79	1,41

Hoewel er vragen kunnen worden gesteld bij de weergave van de resultaten (waarom is bijvoorbeeld de AWC van 1 general kleiner dan het gemiddelde van 2, 3 en 4), laat dit wel duidelijk zien dat er een grote spreiding zit in het watervasthoudend vermogen per type bodem. Te zien is dat hoe fijner het bodemmateriaal is, hoe kleiner de toename van water beschikbaarheid. Dit komt bijvoorbeeld doordat fijne bodemdeeltjes (klei) zelf al goed water kunnen vasthouden, waardoor er bij bodems bestaande uit voornamelijk fijne deeltjes geen significant verschil optreedt in watervasthoudend vermogen. Zand houdt water slecht vast; hier kan de organische koolstof dus wel een verschil maken.

Morris stelde over Podolinsky:

"Podolinsky (1985) stressing the colloidal properties of humus estimated that humus is capable of holding 75% of its volume in water, adding that the water will neither evaporate or leach out."

Uitgaande van dezelfde uitgangspunten als Christine Jones, kom ik dan tot de volgende berekening:

Uitgaande van een volume van 1m2 en 100 mm diep, 0,1 m3 of 100 liter bodem, bij 1% SOC, is dus 1 liter SOC, wat dus dit met een dichtheid van 1,2 kg/l, is dit 1,2 kg SOC. Deze bevat dan 0,9 mm water per 100 mm bodem.

Een andere interessante studie is gedaan door Hudson uit 1994, hij concludeert

"In this study, one to 6% OM by weight was equivalent to approximately 5 to 25% by volume."

Huntington heeft deze data gebruikt en heeft hier grafieken van opgenomen.
Op basis van de grafieken in het artikel van Huntington, en uitgaande van een conversie van SOM naar SOC is delen door 1,72 tot 2,5, concludeer ik het volgende:

- bij het door Hudson onderzochte zand geeft elke extra procent SOM 3,6% extra volumegewicht aan water. Dit betekent dat elke extra procent SOC 6,2 tot 9 % extra volumegewicht aan water wordt toegevoegd, dus 6,2 tot 9 mm water per 100 mm bodem.

- bij het door Hudson onderzochte siltige leem geeft elke extra procent SOM 5% extra volumegewicht aan water. Dit betekent dat elke extra procent SOC 8,6 tot 12,5 % extra volumegewicht aan water wordt toegevoegd, dus 8,5 tot 12,5 mm water per 100 mm bodem.

Iedereen lijkt maar wat te roepen

Op het wereldwijde web, worden allerlei getallen geroepen zonder bronvermelding, en deze waarden zitten m.i. regelmatig aan de optimistische kant, een paar voorbeelden:

- de website van IUCN stelt: "Each gram of organic matter can increase soil moisture by 10-20 grams". Dit betekend dat, in navolging van Christine Jones, 1% extra SOC 8,3 tot 16,7 mm extra water wordt geborgen

- de website van NRCS stelt: "Organic matter builds as tillage declines and plants and residue cover the soil. Organic matter holds 18-20 times its weight in water and recycles nutrients for plants to use." Dit betekend dat 1% extra SOC 15 tot 16,7 mm extra water wordt geborgen
- de website van NRDC stelt: "If we make the assumption that organic matter holds 10 times its weight".  Dit betekend dat 1% extra SOC 8,3 mm extra water wordt geborgen. Deze verhouding wordt ook gebruikt om te komen tot de uitspraak (bron):

 

"Each 1 percent increase in soil organic matter helps soil hold 20,000 gallons more water per acre."

Verschillen tussen theorie en praktijk

Vergelijking van de resultaten van de overzichtsstudie, Podolski, Hudson, Christine Jones en IUCN, laten duidelijk verschillen zien. Iedereen gebruikt verschillende uitgangspunten, ik heb geprobeerd ze terug te rekenen naar waarden die met elkaar zijn te vergelijken. Voor de vergelijking heb ik alles omgerekend naar zowel 100 mm en 300 mm boden. Dit levert de volgende vergelijking van de resultaten op:

	100 mm bodem 1% carbon	300 mm bodem 1% carbon
IUCN*	8,3 - 16,7 mm	25 - 50 mm
Hudson, zand	6,2 -9 mm	12,4 - 18 mm
Hudson, siltige leem	8,6 - 12,5mm	17,2 - 25 mm
Christine Jones	4,8 mm	14,4 mm
Podolinsky	0,9 mm	2,7 mm
Minasny General	1,16 mm	3,48 mm
Minasny Coarse	1,94 mm	5,82 mm
Minasny Medium	1,79 mm	5,37 mm
Minasny Fine	1,41 mm	4,23 mm

De bovenstaande tabel laat duidelijk dat de invloed van koolstof totaal onduidelijk is, en het lijkt er zelfs op dat sommigen maar wat roepen, en dat anderen aan selectief brongebruik doen. Mijns inziens zit de crux erin dat humus en humus niet overal op de wereld hetzelfde zijn, maar dat dit afhangt van de lokale bodemomstandigheden.
Zowel het onderzoek van Hudson, als Minasny laat in ieder geval zien dat het sterk van de grondslag van de bodem afhangt wat de impact is. Een mogelijkheid is bijvoorbeeld dat klei van zichzelf al zo goed water vasthoudt, dat humus hier geen significante toevoeging geeft. Hierbij is het wel belangrijk om te realiseren dat de koolstof bij klei weinig impact heeft op het watervasthoudend vermogen, maar wel een grote impact heeft op de infiltratiecapaciteit (minder plassen op het land) en de beluchting (beter bodemleven). Plasvorming en oppervlakkige afvoer verminderen bij klei dus wel, en infiltratie verbeterd, waardoor klei uiteindelijk meer water vasthoudt; niet omdat het dat zelf niet kan, maar omdat de structuur is verbeterd door de koolstof.

Een andere mogelijke reden wordt door Morris in zijn onderzoek aan gegeven: de kwaliteit van de humus hangt van verschillende factoren af, Morris schrijft:

"Analysis of humus by Handreck (1938) concluded that, “humus was really a polyglot collection of very large and complex molecules……formed from lignin and other poly-phenolic molecules of the original plant leaf and in part from similar molecules which have been produced by microbes [feeding on root exudates and organic matter].” A major point of relevance here is that plant root exudates are a significant source of carbon to be processed by micro-organisms into the formation of soil humus, significantly contributing to aggregate stability, soil fertility and water storage capacity."

Als humus dus van de geproduceerde polyphenolen afhangt, krijg je in een bos, waar lignine samen met cellulose voor de hout structuur zorgt, waarschijnlijk andere humus, dan in boom-arme vegetatie.
Hierover schrijft Morris:

"Schroder and Hartman (2003) found that, “the structure and abundance of microbial populations are dependant both on the plant and soil type”. A further understanding of the processes of soil humus formation would then suggest that the degree of mineralisation and production of poly-phenols in the plant would inevitably flow through to the quality of soil humus which is formed, ultimately influencing water storage and stable eco-system functioning."

Conclusie

De kwaliteit van de bodem en het type beplanting lijkt dus van groot belang voor de kwaliteit van de humus en daarmee de sponswerking van de bodem.
Een toename van SOM in de bodem van 1 naar 5 procent in de bovenste 300 mm, betekent een toename van de SOC van grofweg 0,5 naar 2,5 procent en resulteert er in een zandige bodem in dat er 11 mm tot 30 mm extra water wordt vastgehouden. Dit is ongeveer 4 tot 10 dagen verdamping in de zomer. Doordat de structuur van de bodem verbeterd en daardoor meer water infiltreert in de bodem, kan er echter veel meer water infiltreren dan zonder de koolstof in de bodem. Hierdoor kan de totale impact van koolstof in de bodem uiteindelijk groter zijn.

Achtergrond documenten

Cooling the climate and restoring the ecosystem: https://vimeo.com/251739209

Soil organic matter and available water capacity: http://www.jswconline.org/content/49/2/189.short

Christine Jones, Australia: quote about carbon and water, http://www.amazingcarbon.com/JONES-Carbon&Catchments(Nov06).pdf

Morris 2006 - http://figtreesorganicfarms.com.au/user_data/news/files/1466722343_plain-old-dirt.pdf
research to humus versus water holding capacity
compacte versie van Morris: biodynamics.net.au/documents/PlainOldDirt-Compactversion2006edn..doc
http://biodynamics2024.com.au/wp-content/uploads/2009/04/PlainOldDirt.pdf

Hudson 1994: http://www.jswconline.org/content/49/2/189.abstract

Huntington 2006: https://www.researchgate.net/publication/258046417_Available_Water_Capacity_and_Soil_Organic_Matter

Verbeterde voedselproductie 10                 Verbeterde voedselproductie 12