Kolet, livets grundämne
Alla organismer som lever på jordklotet innehåller kol. Ungefär hälften av växternas och nästan en femtedel av människornas massa utgörs av kol. Grundämnet kol (C) är en grund för liv. Utan kol skulle till exempel åkrarna inte ge skörd. På rätt plats är kolet alltså ett oerhört betydelsefullt grundämne. Medaljens baksida är att för mycket kol i atmosfären påskyndar klimatförändringen. Klimatförändringen förändrar i sin tur kolets naturliga kretslopp, samtidigt som den också påverkar vattnets kretslopp.
Till all lycka kan man med rätt odlingsåtgärder påverka kolinlagringen i marken, och på så sätt hjälpa till att minska överbelastningen av koldioxid i atmosfären. I det här kapitlet fördjupar vi oss i kolets kretslopp. Vi studerar också hur det hänger ihop med vattenhushållningen, klimatet och jordbruket.
Trots att det finns mycket kol i världen är allting ändå inte täckt av sot och koldamm. Det här beror på att kolet lätt bildar föreningar med andra grundämnen. Egenskaperna hos de här föreningarna skiljer sig avsevärt från rent kol.
När den minsta beståndsdelen i grundämnet kol, kolatomen, förenar sig med två syreatomer, bildas en förening som kallas koldioxid (CO₂)(1). Koldioxid är en växthusgas, som i för stora mängder i atmosfären gör att klimatförändringen sker snabbare.
Kolet cirkulerar ständigt mellan olika lager. Kolets kretslopp delas in i ett snabbt och ett långsamt kretslopp.
Det snabba kretsloppet består av kolflödena mellan atmosfären, oceanerna, havsbottnarnas ytsediment, vegetationen, marken och vattendragen. I atmosfären blir en enskild koldioxidmolekyl endast kvar i några år, men i vegetationen, marken och en del av havens lager kan kolet bindas i hundratals eller upp till tusentals år(2,3). Huvuddelen av det kol som är bundet i havens ytskikt och vegetation återgår ändå med tiden till atmosfären som koldioxid.
Kollagret och dess förändringar
Kollagret och dess förändringar beskrivs med termerna biomassa, lager, kolsänka, kolbindning, fotosyntes (assimilation), kolutsläpp och kolkälla.
När kolflödet till marken ökar, ökar kollagret upp till en viss nivå. Ökningen fortsätter ändå inte i all evighet, utan i något skede når man ett jämviktsläge.
Markens mättnad av kol kallas kolmättnad. Det betyder att en ökning av tillförseln av kol inte längre ökar på kollagret. Kolmättnad uppstår ofta i markens ytskikt, som tar emot det största kolflödet. Kollagret kan då ännu ökas till exempel genom odling av djupt rotade växter, så att kolflödet också riktas till de djupare markskikten.(5)
Det långsamma kretsloppet har att göra med sediment och sedimentära stenar(3), som bildar jordklotets största kollager. De kan lagra kolet i 10 000 år eller mer.
Kol överförs från det långsamma kretsloppet till det snabba i samband med vulkanisk aktivitet, kemisk nedbrytning, erosion och förbränning av fossila bränslen. Kol överförs från det snabba kretsloppet till det långsamma i relativt små mängder, till exempel i samband med bildande av sediment på havsbottnen. Industrialiseringen av samhället har dock lett till en ökad användning av icke förnybara eller fossila bränslen, och till följd av detta har stora mängder fossilt kol frigjorts från det långsamma kretsloppet till det snabba(2).
Bild 1. Kolets kretslopp. Bild enligt källa 4.
Sign up to solve exercises
Marken är ett stort kollager
I markskiktet som sträcker sig till 1–2 meters djup lagras uppskattningsvis 1 500–2 400 gigaton kol. Det motsvarar 300–500 gånger de årliga kolutsläppen från fossila bränslen.
Marken innehåller tre gånger mer kol än den totala mängden i hela atmosfären.
Markens organiska eller organogena material består av växter, mikrober och djur som lever eller är i olika stadier av nedbrytning. Det kol som är bundet till det organiska materialet kallas organiskt kol.
Kolet blir en del av det organiska materialet genom assimilationen. När växterna binder kol från atmosfären blir kolet en beståndsdel i de kolhydrater de producerar. Det organiska kolet utgör cirka hälften av det organiska materialets massa.
Om man tittar på hela planeten är markerna i Finland förhållandevis unga. Därför har de en hög kolhalt. Det är av primär betydelse att vi försöker hålla kvar kolet i åkrarna. Metoderna för regenerativ odling stöder bevarandet av markens kolhalt och hjälper till att lagra kol när det är möjligt.
Beständigheten hos kolet i marken påverkas av det organiska materialets nedbrytningshastighet, som är varierande. Snabbt nedbrytbart eller labilt organiskt material bryts ned på månader eller år, medan permanent eller stabilt organiskt material kan bevaras i marken i upp till hundratals år.
Det organiska materialet får en stabil form när föreningar och mikrobmaterial som bryts ned reagerar med mineralerna i marken. Processen ger upphov till kemiska bindningar, som skyddar det organiska materialet från nedbrytning. Markens aggregatstruktur har också en central roll i nedbrytningsprocessen, eftersom kolet bevaras länge i aggregaten och på mineralernas ytor. Lermineralerna är betydelsefulla för bildandet och stärkandet av aggregatstrukturen. Därför skyddar lermaterialet också det organiska materialet från nedbrytning. Markens kolhalt bestäms alltså av skillnaden mellan det kol som flödar till marken och det som försvinner därifrån.(5)
Bild 2. Kolhalten i marken.
Bild 3. På bilden Mathias Weckström med sina nötkreatur. Dött växtmaterial, växtsekret, animaliskt avfall och organiska gödselmedel ökar mängden kol i marken. Samtidigt leder nedbrytningen av organiskt material samt erosionen och avrinningen till att kol försvinner från marken. Bild: Anne Antman.
Se videon: Kolbindning är en väldigt lätt sak 01:56
Organiskt och oorganiskt kol
Utöver det organiska kolet innehåller marken oorganiskt kol, som förekommer som beståndsdel i karbonatmineraler. Lagren av oorganiskt kol finns till största delen i områden med torrt klimat. De här områdena täcker 35 procent av jordens yta.(6)
I Finland innehåller berggrunden däremot nästan inga karbonatmineraler alls, och således inte heller något oorganiskt kol. I Finland är markens totala kolhalt densamma som halten organiskt kol. Globalt sett har det oorganiska kolet ändå en egen roll.
Det organiska materialet – och således den totala mängden kol i marken – påverkas av klimatet, markmineralerna, växtmaterial som hamnar i marken samt av markanvändningen.
Halten av organiskt kol i marken varierar stort mellan olika delar av världen. Ett svalt och fuktigt klimat samt finfördelade mineraler i marken gynnar kolinlagringen i marken. I Finland innehåller till och med mineraljordarna förhållandevis mycket kol. I vårt nordliga klimat har vi dessutom rikligt med organogena jordar. I torvjordarna är halten organiskt kol över 40 procent, och även i mulljordarna över 20 procent.
Bild 4. Den förändrade markanvändningens inverkan på kollagret är välkänd. Bilden visar värden från en internationell metaanalys, som beskriver hur de olika ändringarna i markanvändningen antingen ökar eller minskar på markens kollager. De här storskaliga förändringarna bör tas i beaktande när man ställer upp mål för åkrarnas kolbindning. Förändringarna i markanvändningen påverkar också i hög grad möjligheterna att uppnå de nationella målen för kolbindningen. Bild enligt källa 7.
Markanvändningen och förändringarna i den påverkar markens kollager. När man planerar åtgärder för regenerativ odling bör också förändringarna i markanvändningen planeras noga. Röjning av skog till åker minskar exempelvis markens kollager med upp till 40 procent från det ursprungliga, medan ändring från skog till betesmark i sin tur ökar kollagret. Ändring från åker till skog eller bete ökar också kolhalten.(5,7)
Jyri-Pekka Lemettinen strävar efter att maximera kolinlagringen på sin boskapsgård Jokinotko i Keitele
Bild 5. Jyri-Pekka Lemettinen och lammen. Bild: Soja Sädeharju.
Jyri-Pekka är husbonde i tredje generationen på gården, där man föder upp Herefordnöt och får. Gården har cirka 90 hektar åker i ekologisk odling, huvudsakligen vallar med många arter.
Jyri-Pekka upplever det som viktigt att skydda naturens mångfald, måna om djurens välbefinnande och sträva efter att göra gården kolnegativ. Betesgången hjälper till att uppfylla allt det här.
Jag har nu varit med i Carbon Action-projektet i ett par år, och försöker med hjälp av betespraxis maximera kolbindningen i marken. Många har vant sig vid att se nötkreaturen som miljö- och klimatbovar, men vi försöker nu vända på steken helt och hållet. I betesgången främjar vi betescirkulation, så att djuren flyttas från ett skifte till nästa så snabbt som möjligt och vallen fortsätter att växa bra. På det här sättet borde mängden kol som vallen binder bli så stor som möjligt.
Personligen har jag fått otroligt mycket energi för odlingen och djuruppfödningen genom Carbon Action-projektet och de olika betes- och kolbindningsförsöken. Och det, om nånting, är väldigt viktigt.
– Husbonden Jyri-Pekka Lemettinen, Jokinotko boskapsgård, Keitele
Mikroberna och kolet
Markmikroberna påverkar kolets kretslopp på två motsatta sätt. Förutom att de frigör koldioxid till atmosfären genom nedbrytningsprocessen utgör de också en stor del av markens permanenta kollager.(8) Mikroberna tar alltså upp en del av det kol som hamnar i marken och använder det för att bygga upp sin egen biomassa. Det resterande kolet andas de ut som koldioxid.
Effektiviteten i mikrobernas kolanvändning beskriver hur stor andel av kolet mikroberna själva binder. Ju effektivare kolanvändningen är, desto mindre är koldioxidutsläppen från marken och desto mer kol är bundet i den mikrobiella biomassan. När mikroberna dör kan kolet som bundits i deras biomassa bindas vidare till markmineralerna, och på så sätt bli en del av markens permanenta kollager.
Bild 6. Enligt vad vi vet idag utgörs en betydande del av markens långvariga kolföreningar av just död mikrobiell biomassa (5). Bilden visar ett flimmerdjur. Bild: Pertti Eloranta.
Hur stor andel av kolet i den döda mikrobiella biomassan som blir kvar i marken permanent beror på många faktorer. Åkerns fuktighetsförhållanden spelar exempelvis en roll för bildandet av permanent kol. Jordarterna och markens aggregatstruktur har också betydelse för processen. Även mikroflorans sammansättning påverkar bildandet av permanent kol. I vissa undersökningar har man kommit fram till att mikroberna använder kolet effektivare i marker där organismsamhället består av en större andel svampar än bakterier.(5)
Mikrofloran ändras i takt med förändringar i markanvändningen. Om åkerns jordhälsa försämras kan mikrofloran bli mer bakteriedominerad. Det här har också en negativ inverkan på svamparna i marken, som är viktiga med tanke på bildandet av permanent kol.(8)
För närvarande forskas det mycket kring mikrobernas inverkan på markens kol. Inom en nära framtid kan vi därför vänta oss information om hur vi genom praktiska odlingsåtgärder kan påverka effektiviteten i mikrobernas kolanvändning. Det kan till exempel antas att en mångsidig växtföljd gynnar tillväxten av en mångsidig mikroflora som använder kolet effektivt. Det behövs ändå mer grundforskning innan man kan ge närmare rekommendationer om behandlingen av jordbruksmarkerna.(5)
Begreppet mikrobiell kolpump beskriver hur den döda mikrobmassan och mikrobernas ämnesomsättningsprodukter påverkar markens permanenta kollager. Enligt teorin regleras kollagret av priming- och entombingfenomenen.
Bild 7. Kollagrets reglering, enligt källa 8.
Fenomenet priming syftar på att kolföreningar som är lättillgängliga för mikroberna ökar nedbrytningen och därmed mängden kol som frigörs från marken(5). Till exempel gröngödsling påskyndar primingfenomenet i och med att mängden lätt nedbrytbart organiskt material ökar.
Fenomenet entombing beskriver i sin tur den stabilisering av kolet som sker till följd av mikrobernas verksamhet. Det innebär alltså att organiska kolföreningar mumifieras i mikrobmassan och ökar markens kollager.(8) Genom att ta hand om jordhälsan kan man förbättra markens svampflora, som spelar en viktig roll för bildandet av permanent kol.