CO2 maakt aarde groener
„Onder invloed van het toenemende percentage koolzuur in de atmosfeer, hopen we te kunnen genieten van een tijdperk met een gelijkmatiger en beter klimaat (…) een tijdperk waarin de aarde veel overvloediger gewassen voortbrengt dan nu het geval is.”
In zijn boek ”Worlds in the making” (1904) schrijft de Zweedse chemicus Svante Arrhenius positiever over de invloed van koolstofdioxide (CO2) op het klimaat dan veel wetenschappers tegenwoordig. Van klimaatverandering, zeespiegelstijging en verzuring van de oceanen had hij in die tijd nog niet gehoord.
De chemicus ontdekte dat een toename van CO2 in de atmosfeer de aarde zou kunnen opwarmen. In 1895 publiceerde hij een artikel over ”De invloed van koolzuur in de lucht op de temperatuur van de grond”. Veel wetenschappers beschouwen Arrhenius daarom als de vader van de huidige theorie over de wereldwijde opwarming.
Arrhenius begreep ook dat planten CO2 nodig hebben voor hun groei. Het gas is essentieel voor het leven op aarde. Toename van CO2 in de atmosfeer bevordert de groei van planten.
Mondiale vergroening
Hoezeer een verhoging van het CO2-gehalte in de atmosfeer de plantengroei stimuleert, bleek in 2016 uit een omvangrijke studie in Nature Climate Change. Deze droeg de titel ”Greening of the Earth and its Drivers”, over de oorzaken van de vergroening van de aarde. Met satellietopnamen van het aardoppervlak bepaalden wetenschappers de mate van bladbedekking (LAI, leaf area index). Zo brachten ze de vergroening van de aarde vanuit de ruimte in kaart.
De resultaten waren opmerkelijk. Ze bevestigden het inzicht van Arrhenius. De onderzoeksgroep becijferde dat „verdubbeling van de koolstofdioxideconcentratie de wereldwijde fotosynthese van planten zal doen toenemen met ongeveer een derde.” Ongeveer 25 tot 50 procent van de wereldwijde begroeiing vergroent aanhoudend (zie kaart). Daarentegen heeft slechts 4 procent van het begroeide land te lijden van gewasverlies („verbruining”), schrijft co-auteur, Ranga Myneni, hoogleraar milieusysteemwetenschappen van de Boston University (VS). „De fotosynthese zal toenemen met een stijging van het CO2-gehalte, zolang voedingsstoffen, zoals stikstof en fosfor, geen beperkende factor zijn.”
Myneni’s collega, hoofdauteur Zaichun Zhu, merkt op dat de afgelopen 33 jaar „de wereldwijde vergroening van de aarde overeenkomt met het toevoegen van een groen continent dat ongeveer twee keer zo groot is als het vasteland van de Verenigde Staten”, ongeveer 18 miljoen vierkante kilometer. Daarbij verlengt temperatuurverhoging op hoge breedtegraden het groeiseizoen, waardoor de gewasopbrengst toeneemt.
Uit computersimulaties bleek dat de invloed van het CO2-gehalte op het vergroeningseffect essentieel is. Maar ook stikstof, landgebruik en klimaat (temperatuur, neerslag, zonlicht) dragen eraan bij. „De kooldioxidebemesting verklaart 70 procent van het vergroeningseffect”, stelt Ranga Myneni. „Stikstof is met 9 procent de op een na belangrijkste factor. We zien zo de overweldigende rol die CO2 speelt in dit vergroeningsproces”
De wetenschappers plaatsen ook een kanttekening bij de vergroening. Planten blijken zich geleidelijk aan te passen aan de stijgende kooldioxideconcentratie. Daardoor neemt het positieve effect van een hoger CO2-gehalte na verloop van tijd af, zegt co-auteur Philippe Ciais van het Laboratoire des Sciences climatiques et environnementauxin Gif-sur-Yvette.
Watergebruik
CO2 speelt ook een belangrijke rol in het watergebruik van gewassen. Planten ademen door huidmondjes in hun bladeren. Die laten CO2 door voor fotosynthese. Naarmate de CO2-concentratie toeneemt, openen de poriën minder wijd. De gewassen verliezen daardoor minder water. De efficiëntie van het watergebruik neemt daardoor toe, stelt Delphine Deryng, klimaatwetenschapper aan het NASA Goddard Institute for Space Studies. „Het effect op de opbrengst van gewassen is het grootst in regio’s zoals Zuid-Afrika, waar water een beperkende factor is. In deze regio’s profiteert maïs het meest van een efficiënter watergebruik.”
Uit gegevens van NASA-satellieten blijkt dat China en India vooroplopen in de toename van landelijke vergroening. Dat komt voornamelijk voort uit ambitieuze boomplantprogramma’s in China en intensieve teelt van voedselgewassen in beide landen. „China en India zijn goed voor een derde van de vergroening, maar vormen slechts 9 procent van het mondiale groene landoppervlak – een verrassend resultaat, gezien het algemene idee van landdegradatie in dichtbevolkte landen door overexploitatie,” zegt onderzoeker Chi Chen. De productie van granen, groenten en fruit is in de twee landen sinds 2000 met ongeveer 35-40 procent gestegen. Dit werd bereikt door meerdere teeltmethoden, waarbij een veld meerdere keren per jaar opnieuw wordt geplant om een nieuwe oogst te produceren.
De toenemende CO2-concentratie draagt aantoonbaar bij aan de vergroening van de aarde en aan de toename van de voedselproductie, maar of dat in tijden van klimaatverandering zo blijft, is de vraag.
C3- en C4-gewassen
In de landbouw is er onderscheid tussen C3- en C4-gewassen. Beide plantensoorten reageren anders op de hogere CO2-concentratie in de atmosfeer. „In zogeheten C3-gewassen, zoals rijst, tarwe, gerst en aardappelen, kan het gehalte eiwitten, zink, ijzer en mineralen substantieel achteruit gaan bij hogere concentraties CO2 in de atmosfeer”, schrijft Samuel Myers, van de Harvard School of Public Health in Boston (VS) in Science.
Myers adviseert om meer C4-gewassen, zoals maïs, sorghum, en suikerriet te telen. Die hebben daar beduidend minder last van. „Ook kunnen genetische aanpassingen helpen om dergelijke nadelige effecten voor de voedingwaardegehalte te minimaliseren.”
C3-planten en C4-planten verschillen van elkaar door fotosynthese, het proces waarbij met licht, CO2 en water worden omgezet in suikers en zuurstof. Daardoor reageren ze ook verschillend op toenemende CO2-gehalten in de atmosfeer.
Ze danken hun naam aan de eerste moleculen die ze produceren tijdens het proces van fotosynthese. In C3-planten hebben deze drie koolstofatomen, in C4-planten zijn dat er vier.
C3-gewassen, zoals tarwe, rijst, soja, aardappelen, spinazie, tomaten en fruitbomen, profiteren het meeste van een stijgend CO2-gehalte, maar tegelijk bevatten die planten dus minder voedingsstoffen. Waar dat aan ligt, weten onderzoekers niet. C4-gewassen, zoals maïs, sorghum, suikerriet en grassen, profiteren minder van de extra CO2. Deze planten komen vooral voor in (sub)tropische gebieden.
Tot de huidige CO2-concentratie van 400 ppm (deeltjes per miljoen luchtdeeltjes) neemt de groei van C4-gewassen sterk toe, tot maximaal 10 procent (zie grafiek). Daarna vlakt de groeicurve af. Deze is dus duidelijk begrensd, in tegenstelling tot die van C3-gewassen. Bij een verdubbeling van de CO2-concentratie in de atmosfeer kunnen C3-gewassen tot zelfs 50 procent meer opbrengen.
