Heeft de biodiversiteit van planten invloed op de voedingsstoffen kringloop?

Open PDF in new window.

Eva Koller-France 1, Wolfang Wilcke2 and Yvonne Oelmann1*

1 Department of Geography/Geoecology, University of Tübingen, Tübingen, Germany2 Institute for Geography and Geoecology, Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe, Germany

Alle levende wezens, zoals mensen, dieren, planten en zelfs microben (kleine organismen in de bodem zoals bacteriën), hebben dezelfde voedingsstoffen nodig om te kunnen leven, met name de elementen stikstof en fosfor. Om te begrijpen waarom ecosystemen werken zoals ze werken, is het belangrijk om inzicht te hebben in de kringloop van deze noodzakelijke elementen door het ecosysteem. Een van de vragen die we ons stellen is of de diversiteit van organismen, zoals planten of insecten, afhangt van deze voedingsstoffenkringlopen, ook wel nutriëntencycli genoemd. Plantengemeenschappen die uit veel verschillende plantensoorten bestaan, lijken beter gebruik te maken van de beschikbare voedingsstoffen in de bodem dan plantengemeenschappen die uit minder soorten bestaan. Dit kan te maken hebben met iets dat complementariteit wordt genoemd, wat betekent dat verschillende plantensoorten op verschillende manieren toegang hebben tot de beschikbare voedingsstoffen, bijvoorbeeld vanuit verschillende bodemdieptes. In dit artikel beschrijven we de relaties tussen de biodiversiteit van planten en de voedingstoffenkringloop in de bodem en bespreken we de gevolgen voor het functioneren van het hele ecosysteem.

WAAROM ZIJN WE GEÏNTERESSEERD IN DE EFFECTEN VAN BIODIVERSITEIT OP VOEDINGSTOFFENKRINGLOOP?

In verschillende ecosystemen en onder verschillende omgevingsomstandigheden kan de kringloop van nutriënten sneller of langzamer verlopen, en kunnen voedingsstoffen door verschillende delen van het systeem op meer of minder volledige wijze worden gebruikt en gerecycled, wat tot een verstoring van het evenwicht in het ecosysteem kan leiden. Soms zijn er bijvoorbeeld meer nutriënten beschikbaar dan nodig is, omdat boeren te veel meststoffen aan de bodem toevoegen, of omdat er in de winter een warme dag is waarop microben nutriënten uit dood materiaal recyclen en vrijgeven die planten in de winter wanneer ze niet actief zijn niet nodig hebben. Als er een overschot aan nutriënten in de bodem is, kunnen die nutriënten wegspoelen en in het grondwater of in meren en beken terechtkomen. Van daaruit worden ze naar grotere rivieren en uiteindelijk naar de zee getransporteerd. Als deze wateren te veel nutriënten ontvangen, kan er een snelle groei van algen plaatsvinden, wat schadelijk is voor zoetwaterecosystemen. In dit geval kan te veel van het goede zeker een groot probleem zijn. Daarom is het bestuderen van de voedingsstoffenkringloop van ecosystemen onder verschillende omstandigheden niet alleen een goede manier om te leren hoe ecosystemen werken, maar helpt het ons ook bij de vraag hoe we onze voorraad schoon water kunnen beschermen.

We weten dat de biodiversiteit, de rijkdom aan soorten, van een ecosysteem een rol speelt in veel van zijn functies, en we weten ook dat de biodiversiteit wereldwijd afneemt. Zo sterven sommige bijensoorten en zeldzame bloemen uit, waardoor veel ecosystemen nu minder divers zijn dan voorheen. Dit is een van de redenen waarom we geïnteresseerd zijn in hoe de voedingsstoffenkringloop reageert op veranderingen in de biodiversiteit.

WELK EFFECT HEEFT BIODIVERSITEIT OP STIKSTOF IN DE BODEM?

Experimenten laten zien dat biodiversiteit een effect heeft op stikstof in de bodem (in de vorm van nitraat, een vorm van stikstof die door planten wordt opgenomen) [1]. In deze experimenten wordt de plantendiversiteit bestudeerd door kleine modelecosystemen te creëren (vaak graslanden, waar dit het eenvoudigst is) met een bekend aantal soorten die onder dezelfde omgevingsomstandigheden groeien, bijvoorbeeld in hetzelfde veld. Dit doe je door een specifiek mengsel van zaden te zaaien in een vierkant stuk grond, het zogenaamde proefperceel. Deze kleine percelen worden regelmatig gecontroleerd op planten die er niet zijn gezaaid, die vervolgens worden verwijderd. De resultaten van proefpercelen met een hogere of lagere diversiteit kunnen goed met elkaar worden vergeleken, omdat het enige verschil tussen de percelen het aantal soorten is dat erop groeit.

In deze experimenten in graslanden zien we dat hoe hoger het aantal plantensoorten is, hoe lager de stikstofconcentratie in de bodem, wat vrij eenvoudig te verklaren is. Als meer planten meer stikstof opnemen, betekent dit dat er minder achterblijft in de bodem. In ecosystemen die redelijk rijk zijn aan nutriënten, betekent dit ook dat er minder stikstof in het grondwater terechtkomt, wat de grondwaterkwaliteit en zoetwaterecosystemen beschermt.

Om deze resultaten te begrijpen, moeten we rekening houden met een van de andere belangrijke effecten van biodiversiteit van planten op onbemeste ecosystemen, namelijk een toename van de plantengroei. Bij een grotere biodiversiteit van planten wordt over het algemeen meer plantaardige biomassa geproduceerd, bijvoorbeeld meer hooi op weiden. Er is meer stikstof nodig om deze grotere hoeveelheid biomassa op te bouwen. Je kunt het natuurlijk ook zo bekijken dat deze grotere biomassa alleen kan worden opgebouwd als de planten toegang hebben tot meer stikstof en alle andere noodzakelijke nutriënten ook voldoende aanwezig zijn. Hier komt het begrip complementariteit om de hoek kijken.

VERSCHILLENDE SOORTEN WERKEN SAMEN OM TOEGANG TE KRIJGEN TOT NUTRIËNTEN

Complementariteit beschrijft een mechanisme waarbij verschillende delen van een ecosysteem (zoals verschillende soorten) verschillende essentiële (en beperkte) grondstoffen gebruiken op verschillende locaties of op verschillende tijdstippen. De plek of tijd van het gebruik van deze grondstof door de ene soort ‘vult’ dat van de andere soort aan. Op deze manier maakt de plantengemeenschap vollediger gebruik van de beschikbare grondstoffen. In ons voorbeeld is de gebruikte grondstof de beschikbare stikstof in de bodem. Je weet waarschijnlijk dat planten met hun wortels nutriënten uit de bodem opnemen. Maar niet alle wortels zijn hetzelfde. Sommige planten hebben sterke, lange wortels die dieper in de bodem kunnen doordringen, maar zich onderweg niet veel vertakken. Andere planten hebben wortels die alleen de ondiepere delen van de bodem bereiken. Als je alleen al deze twee soorten combineert, zie je dat de ene plantensoort water en nutriënten uit de ondiepe bodem haalt en de andere dezelfde grondstoffen uit de diepere bodem (zie het voorbeeld voor stikstof in figuur 1). De twee soorten wortelsystemen vullen elkaar aan, wat betekent dat de nutriënten die ongebruikt zouden blijven in een systeem met alleen de ene of alleen de andere plant, nu worden gebruikt om meer plantaardige biomassa te produceren, die als voedsel dient voor microben en dieren. Deze twee planten gebruiken verschillende plekken in de ruimte, die we ruimtelijke niches noemen. Op dezelfde manier ontkiemen en groeien niet alle planten op hetzelfde moment. Als een soort vroeg in het voorjaar ontkiemt en een andere soort pas in de zomer begint te groeien, dan zullen deze twee soorten niet op hetzelfde moment het grootste deel van hun nutriënten opnemen. Ze gebruiken twee temporele niches, of niches in de tijd, en ook zij hebben samen veel meer toegang tot nutriënten en andere grondstoffen dan ze alleen zouden hebben. Wanneer dus niet alleen twee, maar veel planten samen groeien en verschillende ruimtelijke en temporele niches gebruiken, wordt de stikstof in de bodem vollediger benut en blijft er dus minder in de bodem achter.

BIODIVERSITEIT VAN PLANTEN EN FOSFOR IN DE BODEM

Het zou logisch zijn om aan te nemen dat het effect van biodiversiteit dat we zojuist hebben beschreven voor stikstof in de bodem hetzelfde is voor fosfor in de bodem. Beide zijn essentiële nutriënten en beide kunnen de productie van biomassa beperken. Maar dit niet iets wat we aantreffen in biodiversiteitsexperimenten, waarin we controle uitoefenen op de soortenrijkdom om de effecten van biodiversiteit op deze ecosystemen te bestuderen. Vaak zijn de concentraties van direct beschikbare fosfaat, de chemische vorm van fosfor die door planten wordt opgenomen, zo laag in de bodems van de systemen die we bestuderen dat er simpelweg geen ‘restanten’ kunnen zijn, zoals soms het geval is met stikstof. Dus heeft plantendiversiteit dan wel enig effect op de fosforcyclus?

Het korte antwoord is ja, waarschijnlijk wel. We weten namelijk dat er meer fosfor zit in de biomassa van planten in meer diverse systemen en dat dit effect – vergelijkbaar met stikstof – wordt veroorzaakt door de grotere hoeveelheid biomassa die voortkomt uit een grotere fosforopname door planten [2]. De vraag is hoe meer diverse ecosystemen meer fosfaat kunnen opnemen, ook al kunnen we de resultaten hiervan niet in de fosfor concentratie in de bodem zien.

Om fosfaat in de bodem te kunnen gebruiken, maken zowel planten als microben gebruik van enzymen (stoffen die bepaalde chemische reacties bevorderen) om fosfaat af te splitsen van meer complexe chemische moleculen die voorkomen in bodemhumus, het organische deel van de bodem dat je waarschijnlijk kent als compost. We kunnen de snelheid en functie meten van het enzym fosfatase, dat ervoor zorgt dat fosfaat voor planten beschikbaar komt, waardoor we kunnen inschatten hoeveel fosfaat er uit de bodem vrijkomt voor gebruik door planten of microben. In ecosystemen met een grotere biodiversiteit van planten zien we meer actief fosfatase in de bodem (figuur 1) [3]. Dit geeft aan dat we, hoewel we de hogere opname van fosfor uit bodems met een grotere biodiversiteit van planten niet op dezelfde manier kunnen zien als bij stikstof, we wel kunnen zien dat er een efficiëntere toegang tot fosfor in de bodem is door een hogere fosfatase-activiteit. Dit is een manier waarop de biodiversiteit van planten de fosforcyclus in het ecosysteem kan beïnvloeden.

HET BELANG VAN BIODIVERSITEIT VOOR DE WERKING VAN ECOSYSTEMEN

Wat betekent dit allemaal? De meeste wetenschappers denken dat door de voortdurende veranderingen in de wereld steeds meer soorten uit ecosystemen zullen verdwijnen en dat de biodiversiteit zal blijven afnemen. Met de afname van de biodiversiteit zal waarschijnlijk zowel de stikstof- als de fosforcyclus minder efficiënt worden, dat wil zeggen dat ecosystemen minder goed in staat zullen zijn om stikstof en fosfor vast te houden en te recyclen dan nu het geval is. Dit is een grote verandering voor het ecosysteem en kan een factor zijn die leidt tot een vermindering van de productiviteit van het ecosysteem. Afnemende biodiversiteit kan er ook toe leiden dat nutriënten uit het systeem verdwijnen, zoals nitraat dat in het grondwater terechtkomt. Dit overtollig nitraat is een verontreinigende stof als het in ons drinkwater terechtkomt en het kan ook negatieve effecten hebben op de aquatische ecosystemen waarnaar het wordt getransporteerd, bijvoorbeeld door overmatige algengroei. Aan de andere kant zijn deze nutriënten dan niet beschikbaar voor planten, microben of dieren in het oorspronkelijke ecosysteem, waardoor een systeem ontstaat dat waarschijnlijk armer is aan nutriënten en minder goed in staat is om de organismen die erin voorkomen in leven te houden.

WOORDENLIJST

Biodiversiteit

Eenvoudig gezegd, het aantal soorten in een ecosysteem.

Biomassa

De totale hoeveelheid massa die aanwezig is in componenten van het ecosysteem, zoals planten of dieren. Plantenbiomassa, die we in dit artikel hebben besproken, kan bijvoorbeeld worden gedefinieerd als alle levende materie in de wortels, stengels, bladeren, bloemen en vruchten van planten. In een gematigd klimaat is biomassa niet constant, maar neemt deze meestal toe van de lente tot de late zomer en neemt af in de herfst.

Enzymen

Kleine moleculen die een (bio-)chemische reactie binnen of buiten cellen versnellen.

Productiviteit van ecosystemen

De hoeveelheid organisch materiaal, zoals plantaardige biomassa, die door het ecosysteem in een bepaalde tijd wordt geproduceerd. Een goed voorbeeld hiervan is hoeveel tarwe of hooi er in de loop van een jaar van een akker wordt geoogst.

BRONNEN

BEWERKT DOOR: Malte Jochum, German Centre for Integrative Biodiversity Research (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, Germany

CITATIE: Koller-France E, Wilcke W and Oelmann Y (2021) Does Plant Biodiversity Influence Nutrient Cycles? Front. Young Minds 9:557532. doi: 10.3389/frym.2021.557532

VERKLARING BELANGENVERSTRENGLING: De auteurs verklaren dat het onderzoek is uitgevoerd zonder enige commerciële of financiële belang wat kan worden opgevat als een potentiele belangenverstrengeling.

AUTEURSRECHT © 2021 Koller-France, Wilcke en Oelmann. Dit is een openbaar toegankelijk artikel dat wordt verspreid onder de voorwaarden van de Creative Commons Attribution License (CC BY). Het gebruik, de verspreiding of reproductie in andere fora is toegestaan, mits de oorspronkelijke auteur(s) en de auteursrechthebbende(n) worden vermeld en de oorspronkelijke publicatie in dit tijdschrift wordt geciteerd, in overeenstemming met de gangbare academische praktijk. Gebruik, verspreiding of reproductie die niet aan deze voorwaarden voldoet, is niet toegestaan.

JONGE RECENSENTEN

MACKENZIE, 14 Jaar

Mijn naam is Mackenzie en ik houd van muziek (zowel spelen als luisteren), boeken (vooral fantasy) en sport (mijn favoriet is tennis). Ik houd ook van wetenschap, wiskunde en talen, maar wat ik het leukst vind is backpacken.

ROSE, 14 Jaar

Hallo. Ik ben 14 jaar en woon in Canada. Ik houd van breien, haken en lezen.

JONGE RECENSENT (VERTALING)

Ilse, 14 Jaar

Mijn naam is Ilse en ik houd van dieren, muziek luisteren, series kijken en paardrijden.

AUTEURS

EVA KOLLER-FRANCE

Eva is een ecosysteemecoloog die geïnteresseerd is in de effecten van allerlei wereldwijde veranderingen op de koolstof- en nutriëntencycli in ecosystemen. Tijdens haar opleiding tot doctor in de filosofie zwierf ze door het Noordpoolgebied om de effecten van milieuveranderingen op de verbanden tussen koolstof- en nutriëntencycli te bestuderen. Nu is ze een postdoctoraal onderzoeker voor het Jena Experiment (http://www.the-jena-experiment.de/), waar ze de langetermijneffecten van de rijkdom aan plantensoorten op de stikstof- en fosforcyclus bestudeert. *ekoller@gmail.com

WOLFGANG WILCKE

Wolfgang Wilcke studeerde geo-ecologie aan de Universiteit van Bayreuth en is nu hoogleraar geomorfologie en bodemkunde aan het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), na onderzoeks- en onderwijsstages aan de TU Berlijn, de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz en de Universiteit van Bern. Zijn onderzoeksinteresses zijn gericht op de effecten van veranderingen in het milieu, zoals klimaatverandering, veranderingen in landgebruik, afzetting van nutriënten, vervuiling en verlies van biodiversiteit, op de kringloop van elementen tussen bodems en planten. Hij maakt gebruik van bodemchemische analyses, langetermijnobservaties van fluxen van elementen en stabiele isotopenbenaderingen.

YVONNE OELMANN

Yvonne is bodemwetenschapper en houdt zich bezig met koolstof- en nutriëntencycli in ecosystemen. Ze promoveerde aan de TU Berlijn op de effecten van plantendiversiteit op nutriëntencycli in graslandbodems (http://www.the-jena-experiment.de/). Als postdoc verbreedde ze haar perspectief op dit onderwerp door zich te richten op complexe bosecosystemen en door de invloed van de mens mee te nemen. In 2011 werd ze benoemd tot hoogleraar aan de Universiteit van Tübingen en sindsdien houdt ze zich bezig met koolstof- en nutriëntencycli in graslanden en bossen over de hele wereld.

VERTALERS

Liesbeth van den Brink

Liesbeth is ecoloog en doet onderzoek naar interacties tussen bodem, planten, dieren en klimaatverandering. Ze werkt als PostDoc bij het Botanische Instituut, University of Natural Resources and Life Sciences, Wenen.

Marjolein Lof

Marjolein is ecoloog en doet onderzoek naar de diensten die ecosystemen leveren aan de maatschappij, zoals bestuiving door bijen en vastleggen van koolstof in de biomassa van planten en bomen. Ze werkt als onderzoeker aan de Universiteit Wageningen.

FINANCIERING (VERTALING)

Het team Translating Soil Biodiversity bedankt het Duitse Centrum voor Integratief Biodiversiteitsonderzoek (iDiv) Halle-Jena-Leipzig, gefinancierd door de Duitse Onderzoeksstichting (DFG FZT 118, 202548816), voor hun steun.

CITATION (TRANSLATION)

This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC-BY 4.0). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.

Recommended citation format: Koller-France E, Wilcke W, Oelmann Y (2025) Does plant biodiversity influence nutrient cycles? (Dutch translation: Liesbeth van den Brink & Marjolein Lof). Translating Soil Biodiversity & Front. Young Minds. Originally published in 2021, doi: 10.3389/frym.2021.557532

Figures

Figuur 1: Complementariteit tussen wortelsystemen in bodemsystemen met een hogere biodiversiteit leidt tot een efficiëntere nutriëntencyclus. Figuur 1: Complementariteit tussen wortelsystemen in bodemsystemen met een hogere biodiversiteit leidt tot een efficiëntere nutriëntencyclus. Brede pijlen geven een grotere opname van nitraat of een hogere fosfatase-activiteit in meer diverse ecosystemen weer; smalle pijlen geven een geringere opname van nitraat of een lagere fosfatase-activiteit in minder diverse ecosystemen weer. Terwijl nitraat door de wortels wordt opgenomen en naar de bovengrondse delen van de plant wordt getransporteerd, wordt fosfatase naar beneden in de bodem afgegeven om fosfaat beschikbaar te maken voor opname door de wortels.