Hvordan fungerer kulstofkredsløbet i vand?
Ferske vande som søer, damme og åer optager og lagrer rigtig meget kulstof – men de er også en stor CO2- og metangasudleder. I balancerede vandsystemer er der et naturligt samspil mellem alger og planter.
Denne explainer er lavet i samarbejde med Jonas Stage Sø, postdoc i ferskvandsbiologi fra Syddansk Universitet.
Ferskvand modtager en masse organisk materiale fra landjordens økosystemer.
Man kan kalde vandsystemerne for ’jordens blodårer’, fordi kulstof i nedfaldne blade, grene, jordbundshumus og planterester ender i søer. Det samme gør grundvand, der faktisk er overmættet med kuldioxid (CO2), fordi det har været igennem så mange nedbrydningslag med mikroorganismeaktivitet, før det udvaskes med grundvandet.
Sidst, men ikke mindst, består det nederste lag af mineralsk materiale og kulstof, der er blevet ’bevaret’ på bunden helt tilbage til de tidlige gletsjerdage, der skabte det første vandhul i undergrunden. Det lag vokser langsomt mellem 1 millimeter og 1 centimeter om året.
Når organisk materiale ender i vandløb, åer, søer, damme eller lavbundsjorde, kan det enten blive lagret, nedbrudt til CO2 eller metan (CH4) og brugt af undervandsplanter i fotosyntesen eller transporteret videre i systemet. I denne explainer ser vi nærmere på, hvordan det foregår, og hvorfor et balanceret økosystem i vandet vil både udlede og fjerne kulstof fra atmosfæren.
Vandplanter og alger
Fotosyntese og mikrobiel nedbrydning under vand foregår i princippet ligesom på fast grund.
Vandplanter og alger skal bruge CO2 for at vokse. De binder kulstof i deres plantevæv og frigiver ilt, og derfor kalder man dem primærproducenter. Når de dør, nedbrydes planterne af bakterier, som frigiver kuldioxid igen gennem deres respiration.
Der er dog én markant forskel. Planter i vand kan hurtigere opleve mangel på CO2, fordi diffusionsraten (hvor hurtigt molekyler bevæger sig) er 10.000 gange lavere her end i luften. Dvs., at det tager meget lang tid for CO2 – som vel at mærke er en atmosfærisk gasart – at bevæge sig igennem vandet.
Hvis ventetiden på CO2 bliver for lang, så bruger nogle planter og alger i stedet stoffet bikarbonat (med den kemiske formel HCO3–) Det dannes, når kalk i jorden reagerer med det vandlag, som er overmættet med CO2 fra mikroorganismernes nedbrydning.
Bikarbonat fra jordmatricen skyldes så ud i søen, hvor nogle akvatiske planter og alger kan udnytte det ved hjælp af enzymet ’karbonanhydrase’.
At producere et sådant enzym kræver energi, og planter og alger foretrækker derfor CO2.
BILLEDTEKST: En lille sø med mindre omkreds og en begrænset vanddybde modtager meget organisk materiale med kulstof fra de omkringliggende skove, græsarealer og marker. Omvendt vil en sø med stor vandvolumen påvirkes mindre.
Planter og alger respirerer ligesom os mennesker og bruger ilt om natten, hvor der ikke er sollys til at lave fotosyntese. Dvs. at de helt naturligt både optager og udleder CO2 – men fordelen er, at de binder kulstof organisk via deres fotosyntese, hvorefter, når de dør, kan nedbrydes eller lagres på søbunden.
En sø i god balance vil have en forholdsvist stor mængde vandplanter og en mindre mængde alger.
Risiko for overproduktion af metan
Ligesom i de danske kystområder ser vi også, at ferske vande får tilført meget kvælstof og fosfor. Udledninger kommer primært fra landbrugets gødning. Når en sø eller dam bliver for næringsrig, vækster algerne hurtigt i toppen og udskygger lyset, så vandplanterne på bunden ikke kan klare sig.
Det sætter gang i en spiral af negative effekter.
Langt de fleste søer og stillestående vandområder får særligt i sommerperioderne et såkaldt springlag, når den øverste del af vandspejlet opvarmes, mens den nederste del ikke gør. I en sø med mange alger eller en brunvandet svensk skovsø vil kun de øverste dele af vandsøjlen blive opvarmet (ca. en meter), hvorimod i en klarvandet sø vil solens stråler nå langt ned (i Slåensø op mod 12 meter).
Lagdelingen opstår automatisk, fordi varmt vand er lettere end koldt vand. Den ophører først, når efterårets storme kommer og blander vandet rundt. Problemet opstår i mellemtiden, når algevæksten og lagdelingen ’eksploderer’, samtidig med at vandplanterne på bunden udkonkurreres, fordi de ikke får lys til deres fotosyntese.
Så bliver der ikke dannet ilt på bunden, og mikroliv og bakterier vil i stigende grad mangle ilt til arbejdet med at fortære den store mængde af døde, nedfaldne alger. I bundzonen går mikroorganismerne nu over til iltfri respiration, hvor de særligt bruger CO2 og brint og nu udskiller metan i stedet for CO2.
Metan er en kraftig og kulstofholdig drivhusgas, og den kan ikke bidrage til fotosyntese, hvoraf størstedelen automatisk udskilles til atmosfæren. Det er et problem, fordi den her bidrager til global opvarmning og klimaforandringer. Alt i alt vil for meget næringstilførsel ødelægge søernes balance og fjerne muligheden for, at undervandsplanter kan klare sig i søerne.
Problematikken har været stigende over de sidste 100 år grundet klimaforandringer og øget næringstilførelse til søerne. Hvor en stor sø før havde springlag én måned om året, kan varigheden nu vare op til et halvt år.
Jordens blodårer
En næringsrig sø vil lagre mere kulstof, men også samtidig give en øget metan og CO2-frigivelse, da søbunden vil modtage større mængder kulstof, som de mange alger vil optage fra atmosfæren.
Alger og vandplanter har begge en relativt kort levetid og binder ikke kulstof længe – og slet ikke permanent. Men hvis mængden er i balance, vil planterne modtage kulstof fra de øvrige økosystemer og henholdsvis optage og frigive kulstof. Noget af denne kulstof kan ende med at blive lagret på bunden, hvorved den måske undgår at blive nedbrudt.
Hvis vi kunne kigge på en sø over tusinder af år, ville vi se hvordan den langsomt ville blive fyldt op og blive til en mose. Dette sker fordi søen lagrer kulstoffet i bunden.
Når man i forskerkredse kalder vand for jordens blodårer, så er det fordi, at det binder hele planetens økosystem sammen. Rindende vande som åer, bække og vandløb modtager alt det organiske materiale som dannes ved fotosyntese på landjorden, hvilket de enten nedbryder, oplagrer eller transporterer videre via vandløb til havet.
Havet er jordens absolut største kulstoflagringspulje.
Fra naturens side vil der altid både optages og udledes en masse kulstof (CO2 og metan fra de ferske vande. Det kan vi ikke ændre ved. Men de er utrolig vigtige, fordi de både fungerer som renseanlæg og opmagasinering af henholdsvis næringsstoffer og vand, men også fremmer biodiversiteten.
Det svinger fra lokalitet til lokalitet, hvor meget kulstof der lagres i henholdsvis en sø eller dam (stillestående vand). Fællesnævneren er dog, at vand er klimafavorabelt i forhold til eksempelvis landbrugsjord, fordi det opbygger længerevarende kulstoflagre over tid ved at kulstoffet lagres på bunden og derved undgår at blive nedbrudt.