Anna Reetta Salonen

Bodemorganische koolstof (SOC) ondersteunt veel van de processen waarvan de landbouw afhankelijk is, waaronder de kringloop van voedingsstoffen, de vorming van de bodemstructuur en de waterregulatie. Het vertegenwoordigt ook een van de grootste actief circulerende koolstofvoorraden op aarde. Het begrijpen van hoe SOC wordt opgeslagen in landbouwgrond en wat de persistentie ervan bepaalt, is daarom belangrijk, zowel voor het behoud van de gewasproductiviteit als voor het beoordelen of bodems kunnen bijdragen aan de mitigatie van klimaatverandering.

Een veelgebruikt kader verdeelt de bodemorganische stof (SOM) in twee reservoirs met contrasterende eigenschappen. Particulaire organische stof (POM) bestaat voornamelijk uit relatief verse plantenresten met een verblijftijd van jaren tot decennia. Mineraal-geassocieerde organische stof (MAOM) bestaat uit organische verbindingen die geassocieerd zijn met minerale bodemoppervlakken en wordt verondersteld decennia tot eeuwen te blijven bestaan. Ondanks de groeiende belangstelling voor dit kader blijven de SOC-voorraden en hun verdeling over POM en MAOM slecht gekarakteriseerd in noordelijke landbouwgronden, waar korte groeiseizoenen en koude winters omstandigheden creëren voor de SOC-cyclus die fundamenteel verschillen van de systemen waar het meeste onderzoek is uitgevoerd. Bovendien werd de meeste kennis over wat de opslag van MAOM bepaalt, inclusief het concept van bodemkoolstofverzadiging en fractioneringsprotocollen, afgeleid in oudere, meer verweerde bodems. Finse landbouwgronden, een van de belangrijkste aandachtspunten van dit proefschrift, zijn relatief jong en zijn ongeveer 10.000 jaar geleden gevormd uit materiaal dat door gletsjers is afgezet. Waar chemische verwering in oudere bodems primaire mineralen heeft getransformeerd in reactievere secundaire mineralen met grotere oppervlakken, hebben Finse bodems onvoldoende tijd gehad om deze transformatie te ondergaan. In plaats daarvan heeft de gletsjerwerking primaire mineralen fysiek vermalen tot mineralen ter grootte van klei, waarbij een aanzienlijk deel van de kleifractie samengesteld blijft uit deze primaire mineralen met een beperkt reactief oppervlak. Dit roept de vraag op of de elders ontwikkelde concepten en methoden ook op deze bodems van toepassing zijn.

In dit proefschrift heb ik SOC in Finse landbouwgronden onderzocht met drie hoofddoelen: (1) het karakteriseren van koolstofvoorraden en hun verdeling in POM en MAOM over bodemdiepten en beheersystemen, (2) het beoordelen welke bodemeigenschappen de opslag van MAOM beheersen en of de concepten van SOC-verzadiging van toepassing zijn, en (3) het evalueren of de fractioneringsmethoden die gewoonlijk worden gebruikt om POM en MAOM te scheiden, fracties opleveren die consistent zijn met de conceptuele definities van deze reservoirs. De eerste twee doelstellingen werden behandeld met behulp van Finse bodems (hoofdstukken 2 en 3), terwijl de methodologische evaluatie (hoofdstukken 4 en 5) gebruik maakte van een bredere set bodems om aannames te testen die relevant zijn voor verschillende bodemtypen.

Om SOC-voorraden in het bodemprofiel te karakteriseren, heb ik bodems tot 70 cm diepte bestudeerd in een 24-jarig veldexperiment in Zuidwest-Finland (hoofdstuk 2). Het experiment vergeleek biologische en conventionele teeltsystemen met vergelijkbare vruchtwisselingen maar verschillende bemesting, naast een onbeheerde weide als referentie. MAOM vormde overal het grootste koolstofreservoir, goed voor 83% (bovenste laag) tot 97% (ondergrond) van de totale SOC. Aluminium- en ijzeroxiden waren positief geassocieerd met MAOM in het hele bodemprofiel, terwijl het kleigehalte alleen in de bovenste laag (0–20 cm) correleerde met MAOM. Terwijl de bovenste lagen van de teeltsystemen onder hun voorspelde MAOM-verzadigingscapaciteit bleven, overschreed de bovenste laag van de weide deze, wat suggereert dat op textuur gebaseerde modellen het koolstofopslagpotentieel van deze bodems onderschatten. In de laag van 10–30 cm sloeg het biologische systeem aanzienlijk meer SOC op dan het conventionele systeem, mogelijk als gevolg van verschillen in de input van organische stof. SOC-voorraden in de ondergrond onder 40 cm waren vergelijkbaar in alle drie de systemen, ondanks zeer verschillende beheergeschiedenissen en, in het geval van de weide, een hogere wortelbiomassa op alle diepten.

Door de reikwijdte te verbreden naar 93 boerderijen in heel Zuid-Finland (hoofdstuk 3), ontdekte ik dat MAOM gemiddeld 86% van de totale SOC in de bovenste lagen (0–20 cm) voor zijn rekening nam, een aandeel dat stabiel bleef bij kleigehaltes van 2% tot 68%. Het kleigehalte verklaarde slechts 9% van de variatie in MAOM, terwijl aluminium- en ijzeroxiden betere voorspellers waren (elk 21–22%), maar nog steeds de meeste variatie onverklaard lieten. SOC-verzadiging werd beoordeeld met de vergelijking van Hassink, klei-naar-SOC-verhoudingen en grenslijnanalyse, en leverde tegenstrijdige resultaten op: sommige bodems leken oververzadigd volgens de ene maatstaf en onderverzadigd volgens de andere.

Hoofdstukken 4 en 5 behandelen de vraag of de twee veelgebruikte benaderingen om POM en MAOM te scheiden, fracties opleveren die consistent zijn met hun conceptuele definities. Ik vergeleek fractionering op basis van grootte (53 μm cut-off) met fractionering op basis van dichtheid (1,6 g cm-3 cut-off) met behulp van Rock-Eval thermische analyse. Dichtheidsfractionering isoleerde POM en MAOM met duidelijk verschillende thermische signaturen, consistent met het conceptuele kader. Op grootte gefractioneerde POM vertoonde daarentegen eigenschappen die leken op MAOM in plaats van op plantaardig materiaal, wat suggereert dat het aanzienlijke mineraal-geassocieerde koolstof bevatte (hoofdstuk 4). Hoofdstuk 5 onderzocht een waarschijnlijk bijdragende factor: onvolledige dispersie van bodemaggregaten tijdens fractionering op grootte. In 38 bodems slaagde chemische dispersie er herhaaldelijk niet in om aggregaten volledig af te breken, waardoor MAOM in de POM-fractie achterbleef. Gemiddeld leidde dit tot een overschatting van SOC in POM met 33% en een onderschatting van SOC in MAOM met 8%, waarbij de mate van onder-dispersie toenam met het SOC-gehalte en de concentraties aluminium- en ijzeroxide.

Het verdelen van SOC in POM en MAOM kan helpen om de SOC-dynamiek beter te begrijpen, maar dit vereist fractioneringsmethoden die afzonderlijke reservoirs produceren in lijn met het conceptuele kader. Op basis van dit proefschrift lijkt dichtheidsfractionering een beter instrument dan fractionering op grootte voor een beter begrip van de SOC-cyclus in toekomstige studies, ondanks operationele uitdagingen. Dit proefschrift illustreert bovendien dat modellen en methoden die ontwikkeld zijn in oudere, meer verweerde bodems niet noodzakelijkerwijs overdraagbaar zijn naar bodems met een andere mineralogie en verweringsgeschiedenis. Concepten voor SOC-verzadiging op basis van bodemtextuur presteerden niet consistent in de hier bestudeerde Finse bodems, en lokale mineralogie kan relevanter zijn dan textuur voor het begrijpen van wat de opslag van MAOM beheerst. Dit benadrukt dat conceptuele kaders, modellen en methoden validatie vereisen in bodems met contrasterende eigenschappen voordat ze universeel geldig kunnen worden toegepast.