Verbeterde voedselproductie (5b): nemen planten water op via hun bladeren?

Ernst Gotsch zegt in deze webinar (net na 1:40:00), fotosynthese is het opnemen van water uit de atmosfeer. Een interessante stelling die in eerste instantie tegen alle basisgegevens van planten ingaat.
Maar verder onderzoek laat zien dat Ernst Gotsch hier mogelijk een punt heeft, als hij doelt op de opname van water via de bladeren, in het engels Foliar Water Uptake (FWU) genoemd. Daarom een blogpost over de wateropname door planten boven de grond. Belangrijk hierbij is om te beseffen dat water op twee manieren door de plant kan worden opgenomen: als vloeibaar water en als waterdamp.
Op beide wordt in deze blogpost ingegaan.
Allereerst wordt gekeken hoe water stroomt. Eerst naar wateropname onder de grond en stroming in de plant om daarna te kijken naar de wateropname door de plant boven de grond (de FWU).

Hoe beweegt water in de bodem

Water beweegt in de bodem op basis van drukverschillen. Deze drukverschillen kunnen in verschillende eenheden worden uitgedrukt: Mega Pascal (MPa), bar of als logaritmische pf-waarde. Omdat er sprake is van een onderdruk wordt dit de zuigspanning genoemd. De zuigspanningen en pf-waardes voor de bodem in relatie tot wateropname zijn in onderstaande afbeelding weergegeven. Voor gezonde wateropname in de plant moet de pf-waarde onder de 4.2 blijven (onder het verwelkingspunt), wat betekent dat de zuigspanning in de bodem onder de -1,5 MPa moet blijven.

Ons voedsel (6b): Hoeveel energie is er nodig om eten op ons bord te krijgen?

In een eerdere blog heb ik al stilgestaan bij de hoeveelheid energie die er nodig is om het eten op ons bord te krijgen, hierbij heb ik vooral gekeken naar de buitenlandse data die er beschikbaar is. Dankzij nieuw promotieonderzoek van Meino Smit, is er ook een goed overzicht voor de Nederlandse situatie. Hier wil ik in deze blog bij stilstaan.

Output-Input verhouding

Er zijn verschillende manieren om naar de output-input verhouding van de gebruikte en geproduceerde energetische waarde van het voedsel te kijken. Je kunt kijken naar het totaal tonnage in en uit, het energieverbruik van de gehele sector in en uit en het energiegebruik per ha in en uit. Hierbij kun je naast productie, wel of niet verwerking en distributie meenemen. 

Tonnage

Meino Smit heeft in zijn proefschrift een mooi overzicht gegeven van het totaal tonnage aan inputs en outputs van de landbouwsector. Voor 4 jaren is dit in onderstaande tabel weergegeven (tabel 34 uit proefschrift) , met daarbij de ratio. Onderstaande tabel laat het totaal gewicht per jaar dat de landbouw gebruikt (aan kunstmest, pesticiden, zaaigoed) en wat wordt geoogst. Te zien is dat sinds ongeveer de jaren 90 meer het land opgaat aan tonnage dan eraf wordt gehaald.

Ons voedsel (18): Bossen en oerwouden verdwijnen

In een eerdere blog over bomen heb ik laten zien hoeveel bomen bijdragen. Aan wel 28 verschillende dingen kunnen bomen bijdragen. Van temperatuur regulering, tot het maken van neerslag, van meer vruchtbaarheid van de bodem tot het geven van eten. Bomen zijn zeer indrukwekkende organismen, die van vitaal belang zijn voor het leven op onze planeet. Toch gaat het niet goed met de bomen: Bossen en oerwouden verdwijnen namelijk met een zorgwekkende snelheid, 5 voetbalvelden per minuut...
In deze blog wil ik een beeld schetsen hoe het er met de bossen en oerwouden op onze planeet voor staat. Er is heel veel informatie hierover beschikbaar, het lastige hierbij is echter dat verschillende methoden worden gebruikt, waardoor niet alles goed op elkaar aansluit. Het grote beeld is echter wel vergelijkbaar.

Hoeveel bomen zijn er eigenlijk en hoe snel verdwijnen deze eigenlijk?

In 2015 is door Yale universiteit een studie voltooid naar het aantal bomen op onze planeet. In 2015 bleken er 3,04*10¹² bomen te zijn op onze planeet. Dat komt neer op 400 bomen per persoon.
Echter, er verdwijnen 10⁹ bomen per jaar, grofweg op een gebied van 20 miljoen hectare (2015); dit komt neer op 1,5 gekapte boom per persoon per jaar. Op deze manier hebben we dus (zonder bevolkingsgroei) in 260 jaar geen boom meer over op onze planeet. Voor de mens zijn invloed op planeet aarde liet gelden, waren er ongeveer 2 keer zoveel bomen.

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.

Verbeterde voedselproductie (10): koolstof in de bodem

Het maken van landbouwgronden heeft wereldwijd een grote CO₂ productie tot gevolg gehad, nieuwe landbouwgronden (zie hiervoor mijn eerdere blog hierover) dragen daar nog steeds aan bij. Hierbij zijn en worden bijvoorbeeld bossen omgezet in landbouwgronden. Door het veranderen van het gewas (van vaste planten naar 1-jarige gewassen), maar ook door landbewerkingen, zoals ploegen en het gebruik van kunstmest, oxideert de koolstof die in de bodem aanwezig is. Deze continue verandering van het landgebruik heeft al meer dan een eeuw een vrijwel continue bijdrage geleverd aan de globale CO₂ uitstoot.

Bron: http://shrinkthatfootprint.com/explain-carbon-budget

Verbeterde voedselproductie (9): een gezond bodemleven

In de bodem leeft van alles, van verschillende grootte:
Plantenwortels, schimmels, bacterien, geleedpotigen (arthropods), nematoden/rondwormen, protozoa, aardwormen, kevers etc. Deze leven met elkaar, zijn van elkaar afhankelijk, of worden door elkaar opgegeten. Hoe gezonder de bodem, hoe meer er te vinden is. De bodem is dus een levend organisme. Deze afhankelijkheid resulteert in het zogeheten bodemvoedselweb.
Voor het schrijven van deze blog heb ik veel gebruik gemaakt van het online beschikbare werk van Elaine Ingham (waarnaar veel wordt gelinkt).

Het bodemvoedselweb

Bron: http://www.nuleaflawncare.com/wp-content/uploads/2012/02/00_sfw_dgrm2.gif

Ons voedsel (8c): hoe ziet de wereldwijde voedselmarkt eruit

In 2 eerdere blogs heb ik gekeken naar de voedselmarkt, in blog Ons voedsel (8a) heb ik gekeken naar de consolidatie van de 10 grootste voedselverwerkende concerns. In blog Ons voedsel (8b) heb ik gekeken naar de biologische concerns.
Hoe ziet dat er echter uit als je naar nationale systemen in plaats van concerns kijkt?
Nederland is een grote speler op de wereldwijde voedselmarkt. Een artikel van september 2017 in de National Geographic zette Nederland sterk in de spotlights: Nederland voedt de wereld! Maar hoe ziet die markt er uit, hoe is die wereldwijd verdeeld en hoe groot is Nederland nu eigenlijk?

Verandering van de wereldwijde voedselmarkt

Een studie uit 2012 geeft een goed overzicht van de wereldwijde voedselmarkt op basis van de FAO voedseldatabase en de UN comtrade database. Op basis hiervan is inzicht verkregen in de ontwikkeling van de wereldwijde handel in voedsel, zoals in onderstaande figuren is te zien. De linker figuur laat zien dat de wereldwijde voedselproductie sterk is gestegen, de wereldwijde export, dus het verhandelen van het voedsel tussen landen, is nog sterker gestegen. De rechter figuur laat zien dat meer en meer voedsel tussen landen wordt verhandeld: de export/productie ratio is gestegen tusen 1950 en 2010 van minder dan 10% naar bijna 60%. 

Meristeem: Waarom gras begraasd moet worden, maar niet teveel

Om goed graasbeheer toe te kunnen passen is het nuttig om te begrijpen hoe groei bij planten plaatsvindt. Want niet alle planten groeien op dezelfde manier. En de andere manier van groei van grassen maakt dat grasgebieden en prairies moeten worden gemaaid of begraasd om te overleven.

Hoe groeien planten?

Groei in een plant vind plaats vanuit het meristeem. Deze cellen zijn vergelijkbaar met de stamcellen bij mensen. Alleen deze meristeem cellen zorgen voor groei: alleen deze cellen delen.

Binnen de plant zijn er verschillende plekken waar zich meristeem bevindt:

• Primaire meristeem:
• Apical meristeem, dit zit in de uiteinden van de plant:
• onder de grond in de wortels, het root apical meristeem (RAM)
• boven de grond in de toppen van de plant, het shoot apical meristeem (SAM).
• Intercalary meristeem, wat zorgt voor lengtegroei, de vorming van knoppen in de oksels van de plant en wat bij beschadiging zorgt voor herstel.
• Secundair mersisteem:
• Lateral meristeem. Dit zorgt voor de secundaire, oftewel dikte groei van de plant.

Verbeterde voedselproductie (5a): hydraulische herverdeling van water door bomen

Bomen hebben allerlei functies waar veel mensen zich niet van bewust zijn. Een bijzondere is de herverdeling van bodemvocht, zowel tijdens natte periodes, als tijdens droge periodes. Hoe dat werkt, daar gaat deze blog over.

Hoe werkt deze hydraulische herverdeling?

De meeste mensen zijn er bekend mee dat bomen het vermogen hebben om water op te zuigen waar het beschikbaar is en dit vervolgens naar de bladeren te transporteren, waar het kan verdampen. In natte tijden wordt meer water uit de bovenste bodemlagen opgezogen, en in drogere tijden wordt meer water uit dieper gelegen lagen gezogen, waar nog steeds water beschikbaar is.
Onderzoek laat echter zien dat door het verschil in zuigspanning tussen verschillende lagen in de bodem, water in natte tijden niet alleen wordt opgezogen door de wortels in de natte bodemlagen om te worden gebruikt door de plant, maar ook kan worden getransporteerd naar diepere, drogere bodemlagen waar het wordt afgegeven aan deze bodemlaag. De wortels van de bomen helpen dus om het water her te verdelen over de bodem, zodat er een snellere infiltratie van water plaats kan vinden.
Daarnaast vindt in droge tijden precies het omgekeerde plaats: het water wordt vanuit diepere lagen door de bomen opgezogen en gebruikt door de bladeren, maar ook getransporteerd naar ondiepe lagen, waar het gebruikt kan worden door andere planten.

Ons voedsel (14), Verwoestijning (1): Hoe beinvloed landbouw verwoestijning?

De mens heeft op onze planeet een steeds grotere invloed. Deze invloed is vooral te zien rondom de stijging van de broeikasgassen, klimaatverandering en verminderde bio diversiteit. Maar hoe staat het met de invloed van de landbouw op verwoestijning?

Antropogene transformatie

Algemeen lijkt te gelden dat waar veel mensen zijn geweest, hier een impact wordt achtergelaten. Hoe groter de bevolkingsdichtheid, hoe groter de impact. Het samenvoegen van heel veel historisch onderzoek heeft inzicht gegeven in hoe de bevolkingsdichtheid in de afgelopen 5000 jaar gevarieerd heeft:

Bron: https://ourworldindata.org/wp-content/uploads/2013/05/world-maps-of-population-density-over-the-last-5000-years-goldewijk-beusen-and-janssen-2010.png

Ons voedsel (8b): hoe ziet de biologische markt eruit?

In blog 8a heb ik aangegeven dat de globale voedingssector aan het consolideren is: de 10 grootste bedrijven hebben na een lange reeks fusies en overnames ondertussen 30% van de wereldwijde verpakte voedselproductie. De top 100 heeft ongeveer 77% in handen.

In de zoektocht naar biologische producten, zijn veel nieuwe merken ontstaan die proberen duurzamer, meer verantwoord geproduceerd voedsel op de markt te brengen. Deze markt is booming, in de VS was de omzet aan biologische producten in 2013 $26,7 mrd, in de EU was het $24,56 mrd.

Bron: https://www.statista.com/chart/3681/organic-retail-sales-value-by-country/

Vergeleken met een totale markt van verpakt voedsel van $1375 mrd is dit een relatief kleine markt, maar het is wel een markt waar veel groei in zit. De onderstaande figuur laat zien dat er in 15 jaar een vrijwel constante groei heeft plaatsgehad van 10 tot 12 % per jaar.

Ons voedsel (8a): van wie kopen we het eigenlijk

Ons voedsel wordt geproduceerd door boeren, waarvan velen zich steeds meer specialiseren in een aantal gewassen. Al deze gewassen worden verhandeld en verwerkt tot de producten die we uiteindelijk in de supermarkt kopen. 

In de supermarkt hebben we de keuze uit een grote scala aan merken. Elk merk probeert zijn eigen imago te hebben, om een duidelijke doelgroep te bedienen.

Een uitgebreide analyse van Oxfam laat echter zien dat achter deze enorme variëteit aan labels een zeer beperkt aantal bedrijven zit.

Bron: http://www.behindthebrands.org/

Deze 10 bedrijven hebben een gezamenlijke omzet van ongeveer $410 miljard (2014).

Ons voedsel (2): wat zijn de onderdelen van duurzaam voedsel

In mijn zoektocht naar duurzaamheid in voedsel kan ik naar ontzettend veel aspecten kijken, niet alleen gezond voedsel wat in een gezonde omgeving is gegroeid, maar waar ook een duurzame keten, waar mensen niet worden uitgebuit, maar een gezonde boterham kunnen verdienen.
De verschillende aspecten rondom voedsel en duurzaamheid zijn grofweg op te delen in 5 categorien, zoals ook in het onderstaande schema is aangegeven:
- het milieu
- de voedingswaarde van het voedsel
- de economische en logistieke aspecten
- maatschappelijke en ethische onderdelen
- overige aspecten

Bron: http://www.fcrn.org.uk/sites/default/files/fcrn_what_is_a_sustainable_healthy_diet_final.pdf

Ons voedsel (1): Het begin van een zoektocht

Ik ben de afgelopen tijd op allerlei wijzen met ons voedsel en de voedselproductie bezig. En ik krijg daarbij steeds meer het gevoel dat we een probleem krijgen met onze voedselvoorziening als we doorgaan zoals we doorgaan. Maar wat zijn de oorzaken en wat zijn de oplossingen? Ik ga op zoek, en ga op deze blog mijn bevindingen opschrijven.

....

De wereldbevolking groeit. Op dit moment zijn er ongeveer 7 miljard mensen op onze planeet, en dat groeit nog wel even door. Tot welk aantal de wereldbevolking zal groeien hangt af van de snelheid van de groei, het meest voorzichtige groei scenario's van de VN gaat uit van een groei naar ruim 8 miljard 2050, waarna de bevolking zal krimpen, het meest ruime groei scenario gaat uit van een doorgaande groei, waarbij de bevolking kan doorgroeien tot 16 miljard mensen in 2100 (bron: VN en wikipedia).

Duurzame waterharvesting technieken top 5 voor droge gebieden

Veel gebieden op aarde hebben te kampen met droogtes. Dit kunnen langere of kortere periodes zijn. Toch zijn er veel technieken ontwikkeld om water te oogsten of langer vast te houden. Hieronder een overzicht van 5 duurzame technieken om water te oogsten of langer vast te houden.

1. Quanat

De quanat of qanat is een zeer oude techniek uit het Iran, die in de loop der eeuwen geëxporteerd is naar o.a. China, Afghanisten, en Noord Afrika. De quanat bestaat uit een lange aflopende tunnel. Bovenstrooms van de tunnel boort deze het grondwater aan, benedenstrooms bij de monding begint leven, omdat er water is, waar dat niet was. Kort gezegd zijn dit in feite ondergrondse aquaducten.

Grote voordelen van deze techniek zijn:
- bijna geen verdamping van water
- natuurlijke koeling vanuit ondergrondse tunnels
- geen uitputting van het grondwater, als het grondwater te laag staat, valt de quanat ook droog
- waar quanat uitmond, kan men leven

Nadeel van deze techniek is het gevaar op instorting van de tunnels, het water slijt in de bodem van de quanat, waardoor de tunnel heel hoog kan worden en daardoor na verloop van tijd instabiel. Ondergronds onderhoud is niet altijd even makkelijk.

2. Sand Storage Dam

Een Sand Storage Dam is een klein dammetje in een relatief kleine rivier (zie afbeelding1 en afbeelding2): ongeveer 1 m dik, 30 m breed, met “vleugels” in de rivierbank voor de verankering van de dam zodat deze niet wegspoelt. De dam steekt ongeveer 1 m boven het rivieroppervlak uit. Verder is deze gebouwd op rotsbodem. Achter de dam zal in het regenseizoen water blijven staan, dit zakt langzaam de grond in. Doordat veel droge gebieden te maken hebben met een hoge mate van erosie, zal het gebied achter dit dammetje snel vol slibben met zand. Daardoor ontstaat hier een grondwaterreservoir. Door de rivier te voorzien van zeer veel van deze dammetjes (elke 1 à 2 km) wordt er in de rivier een grote hoeveelheid grondwaterreservoirs gemaakt, met goede gevolgen voor de vegetatie.
Grote voordelen van deze techniek zijn:
- geen verdamping van water
- waterzuivering door filtrerende werking van het zand
- geen water gerelateerde ziektes vanwege grondwater in plaats van open water
- mogelijkheid tot langzame stroming van water via de grond
- grondwaterreservoir maakt water beschikbaar gedurende het hele jaar

3. Rooftop harvesting

De meest simpele techniek om water op te vangen, gewoon door een dakgoot onder het dak te hangen en het regenwater via deze dakgoot in een waterbak op te vangen. Een zeer veelbelovende techniek, aangezien in veel tropische landen tot wel 1 m regen per vierkante meter per jaar valt, waarbij de potentiële verdamping per jaar veel groter is; als het water niet wordt opgevangen, is het water dus vaak snel weer verdampt.

Grote voordelen van deze techniek zijn:
- bijna geen verdamping van water
- makkelijk te realiseren
- goedkoop
- regen valt eigenlijk altijd wel en dakoppervlakken zijn relatief groot

4. Dauwvijvers en dauw schermen

Met dauw is een enorme hoeveelheid water te vangen, zeker in gebieden waar bijna geen neerslag valt, maar wel veel dauw of laaghangende bewolking is.
Een mooie oude techniek is de dauwvijver uit Engeland (zie hier en hier voor meer info). Een techniek waarbij met behulp van de nachtelijke afkoeling de dauw gecondenseerd in een vijver. Via bodemisolatie (middels stro en klei) wordt bereikt dat het water in de vijver verder afkoelt dan de omliggende grond. In de vijver condenseert daardoor water, wat voor significante hoeveelheden water zorgt.

Dauw schermen zijn een nuttige techniek in hellende gebieden met veel opstijgende bewolking. Via grote lappen fijnmazige stof, die op de helling worden geplaatst, condenseert de langskomende bewolking. Onder de lappen is een goot aangebracht, vanwaar het gecondenseerde water naar een opvangbak stroomt.

grote voordelen:
- relatief simpele techniek
- er komt water beschikbaar waar geen regen valt, maar wel dauw en wolken zijn
- makkelijk te realiseren

5. Contour trenching

Bij contour trenching wordt langs de hoogtelijn een greppel gegraven om het water wat van de helling afstroomt op te vangen en te laten infiltreren in de bodem. Hierbij wordt de helling voorzien van meerdere parallelle greppels, zodat al het afstromende water wordt opgevangen en infiltreert in de bodem.
Grote voordelen van deze techniek zijn:
- natuurlijke aanvulling van grondwater wordt bevorderd
- erosie wordt gereduceerd, doordat er geen water van de helling afkomt
- langer water beschikbaar, doordat het in de grond zit
zie hier voor een youtube filmpje.