Mondiale klimaatregulatie (Koolstofopslag in de bodem)
Beschrijving​
De ecosysteemdienst koolstofopslag in de bodem is het gevolg van opslag van niet-gemineraliseerde koolstof uit dood plantenmateriaal naar de bodem, waar het op lange termijn opgeslagen wordt. Hoe meer atmosferische CO2 op die manier wordt vastgelegd in de bodem, hoe minder deze kan bijdragen tot klimaatopwarming. De baten van deze dienst zijn enerzijds het behoud van de bestaande koolstofvoorraden en anderzijds de opslag van extra koolstof in de bodem.
Bodems onder natuurlijke ecosystemen vertonen doorgaans grotere koolstofvoorraden dan deze onder intensief landgebruik (door het regelmatig scheuren van de bodem). De koolstofvoorraden zijn dus groter in bosbodems en permanent grasland dan in bodems van tijdelijk grasland of akkerbodems. Vooral moerassen en historische veenbodems bezitten grote hoeveelheden koolstof.
Benodigde informatie:
- Landgebruik
- Gemeten koolstofvoorraad huidige situatie of indien niet beschikbaar
- % klei en zand in de bovenste 100 cm (zie tabel)
- Gemiddelde hoogste grondwaterstand (GHG) en gemiddelde laagste grondwaterstand (GLG) huidige situatie en inschatting van de toekomstige situatie
- De aanwezigheid van bepaalde bodemtexturen uit de WRB bodemkaart
- Aanwezigheid van Veen af te leiden van de bodemkaart
- Hellingsgraad afgeleid van het Digitaal Hoogtemodel Vlaanderen
- Voor landbouwgronden bemestingsinput in C equivalent op basis van landbouwstreek van Wesemael et al. (2010)
- Voor bossen de aanwezigheid van het bos op de Ferrariskaart, de hellingsgraad van het terrein en de boomsoort.
GHG is het gemiddelde van de 25% hoogste grondwaterstanden van dit jaar in het gebied. Dit gemiddelde is kleiner (lees minder diep) dan de gemiddelde laagste grondwaterstand. GLG is het gemiddelde van de 25% laagste grondwaterstanden van dit jaar in het gebied. Dit gemiddelde is groter (lees dieper) dan de gemiddelde hoogste grondwaterstand.
De grondwaterstanden kunnen bekomen worden aan de hand van metingen of via eenvoudige grondwatermodellen. Binnen de webtool van de Natuurwaardeverkenner zijn er ook geïnterpoleerde kaarten op basis van de drainageklassen beschikbaar. Bodemtextuur, drainageklasse en WRB klasse zijn terug te vinden in de infofiche op de bodemkaart van Vlaanderen https://www.dov.vlaanderen.be/page/bodemkaarten.
De benodigde kaarten zijn ook terug te vinden in de webtool Natuurwaardeverkenner.
Kwalitatieve waardering​
De hoeveelheid organische koolstof in de bodem is afhankelijk van het landgebruik, de bodemtextuur en de grondwaterstand (Meersmans, 2008). Veranderingen in landgebruik of grondwaterstand kunnen leiden tot een verhoging van de koolstofopslag in de bodem of tot de afbraak en emissie van CO2.
Landgebruik
Bijna alle vormen van bodembewerking hebben een negatieve invloed op de koolstofvoorraden. Hoe meer biomassa ter plaatse blijft in beheerde systemen (oogstresten, maaisel, kroonhout), hoe meer koolstof in de bodem kan worden opgeslagen. Landverstoringen zoals ploegen leiden tot een verminderde fysische bescherming van het organisch materiaal, waardoor het gemakkelijker mineraliseert en de koolstofopslag daalt. Daardoor zullen bodems onder natuurlijke ecosystemen grotere stocks vertonen dan intensief bewerkte bodems.
Bodemtextuur en grondwaterstand
Onafhankelijk van het landgebruik bepalen vooral de vochttoestand en het kleigehalte van de bodem de capaciteit voor koolstofopslag. Hoe natter de bodem en hoe hoger het kleigehalte, hoe meer koolstof kan worden vastgelegd. Beheerstechnische ingrepen zoals drainage verminderen de opslag, terwijl vernattingsprocessen de voorraad aan bodemkoolstof vergroten.
Daarnaast speelt ook de tijd een belangrijke rol in de potentiële koolstofopslag, vooral onder permanent natte bodems. Tijdens de ontwikkeling van ecosystemen neemt het gehalte aan organisch materiaal toe. Bodems die zich gedurende jaren onder een natuurlijk (moeras)bos bevinden hebben in de loop van de tijd grote hoeveelheden koolstof opgestapeld. Zolang de hydrologische condities en het landgebruik niet wijzigen kunnen deze voorraden evolueren naar een maximum en blijven deze verder min of meer stabiel (evenwichtssituatie). De koolstofvoorraad is dan wel maximaal, maar het opslagpotentieel zelf is gedaald. Zo bereiken moerassen hun evenwichtstoestand na ongeveer 60 jaar (verschillend van moerastype tot moerastype) en wordt alleen in (anaerobe) hoogveensituaties nog koolstof vastgelegd. Anderzijds kunnen veranderingen in landgebruik en hydrologie ervoor zorgen dat de koolstofvoorraad terug daalt.
Op basis van deze kenmerken kan een kwalitatieve waardering gegeven worden.
In de webtool is op basis van bovenstaande kenmerken en de ECOPLAN kaart voor potentiële koolstofopslag Vlaanderen een score opgesteld van 1 weinig koolstofvoorraad tot 10 zeer belangrijke potentiële koolstofvoorraad in de bodem.
Kwantitatieve waardering​
De berekening gebeurt op basis van 4 verschillende regressievergelijkingen die binnen het ECOPLAN project werden opgesteld (Ottoy, Beckers et al. 2015; Ottoy, Elsen et al. 2016) Samen laten deze vergelijkingen toe om voor de meeste landgebruiken de koolstofopslag in de bodem te berekenen tot op 1 meter diepte. De regressievergelijkingen zijn opgesteld op basis van de meest betrouwbare databanken die beschikbaar zijn in Vlaanderen. De formule voor akkerland en grasland werd opgesteld op basis van de bodemvruchtbaarheidsgegevens van de Bodemkundige Dienst België en de Aardewerk-Vlaanderen-2010 databank. De formule voor bos is gebaseerd op de ForSite-databank van het INBO. De vergelijking voor natuurtypes is gebaseerd op een database die binnen de KULeuven werd opgesteld in functie van een onderzoek naar LIHD systemen (Van Meerbeek, Van Beek et al. 2014).
De studie focuste enkel op de minerale bodem. Dit gaat voorbij aan het belang van bosgrond voor de onderliggende koolstofvoorraad. Voor Vlaanderen berekende Lettens et al. 2005 koolstofvoorraad in de bosgrond van 1 kg/m² onder loofbos, 2 kg/m² onder gemenged bos en 3,5 kg/m² onder naaldbos. We tellen deze bij de berekende koolstofvoorraad onder bos met de regressievergelijking.
De vergelijkingen berekenen de potentiële maximale koolstofvoorraad berekent. Als het landgebruik of de hydrologie wijzigt, dan zal de potentiële maximale koolstofvoorraad wijzigen. We veronderstellen dat dit maximum (nieuwe evenwichtssituatie) bereikt wordt na 100 jaar. De jaarlijkse toename/afname in de koolstofvoorraad gebeurt bij benadering proportioneel (2,5%) ten opzichte van het resterend verschil tussen de te bereiken evenwichtstoestand en de huidige koolstofvoorraad. De jaarlijkse netto op(af)name van koolstof vermindert dus naarmate men dichter bij de nieuwe evenwichtstoestand komt.
De meest accurate methode om de huidige koolstofvoorraad te kwantificeren is om een bodemstaal te nemen en te kijken hoeveel koolstof er aanwezig is. De analyse van het gehalte aan organisch materiaal kost ongeveer 15 € per staal en de resultaten zijn meestal binnen de week beschikbaar. Bij ecosystemen met microreliëf en heterogene vegetatie kan deze koolstofvoorraad ruimtelijk sterk variëren. Minstens 15 staalnames per hectare zijn nodig om een representatief beeld te krijgen. Indien er de laatste 30 jaren geen ingrijpende wijzigingen gebeurd zijn in de waterhuishouding en de vegetatie, kan men bijkomend gebruik maken van historische bodemstalen (1960-heden) die toegankelijk zijn via de Aardewerkdatabank (Van Orshoven J. et al. 1993).
Als men niet over de middelen of de tijd beschikt om bodemstalen te nemen, dan kan men op basis van de formules de maximale potentiële koolstofvoorraad van de huidige situatie schatten. De jaarlijkse toename/afname in de koolstofvoorraad is dan bij benadering 2,5% ten opzichte van het resterend verschil tussen de te bereiken evenwichtstoestand en deze berekende maximale potentiële koolstofvoorraad van de huidige situatie.
Als een gebied door een infrastructuurproject ingrijpende wijzigingen ondergaat (ontbossing, drainage) of als er afgravingswerken plaatsvinden, kan de koolstofvoorraad in de bodem verloren gaan. De koolstofvoorraad kan proportioneel vrijkomen vanaf het moment dat de bodem afgegraven wordt. In het begin gaat het veel sneller dan na tientallen jaren. Als de bodem afgedekt wordt door bijvoorbeeld opgespoten grond of een verharding, zonder dat er graafwerken nodig zijn, dan is er vermoedelijk geen verlies van de koolstofvoorraad. Hierover is echter weinig geweten. Sommige studies waarschuwen wel voor een toegenomen risico op CO2 emissies bijv. Pataki et al. 2006. Voorlopig houden we hiermee geen rekening in de berekeningen.
Monetaire waardering​
Om de koolstofopslag monetair te waarderen, kunnen we kengetallen hanteren uit De Nocker et al. 2010. Deze getallen zijn gebaseerd op de methode van vermeden reductiekosten: als er meer koolstof wordt opgeslagen in natuurgebieden, kan men op andere plaatsen emissiereductiekosten vermijden om de gegeven milieudoelstellingen te bereiken. Deze kengetallen zijn gebaseerd op de kosten van emissiereductiemaatregelen die nodig zijn om te garanderen dat de gemiddelde temperatuur op wereldvlak maximaal maar met 2°C stijgt ten opzichte van het pre-industriële niveau (1780). De cijfers zijn afgeleid van een meta-analyse van resultaten van verschillende klimaatmodelstudies (Kuik et al. 2009).
Een aandachtspunt is dat men in de loop der jaren continu nieuwe en duurdere maatregelen moet nemen om op een emissiepad te blijven dat consistent is met de 2°C doelstelling. De marginale kosten stijgen in de tijd en gaan van 20 euro/ton CO2-eq. in 2010 tot 220 euro/ton CO2-eq. in 2050 (zie tabel).
Uitgangspunten​
- In de functies wordt geen rekening gehouden met de stabiliteit van de voorraad. Onder landbouwgrond is die veel minder stabiel dan onder bijv. bosgrond.
- We veronderstellen dat de nieuwe evenwichtssituatie bereikt wordt na 100 jaar.
- Jaarlijks is er een proportionele wijziging in de koolstofvoorraad van 2,5% ten opzichte van het resterend verschil tussen de te bereiken evenwichtstoestand en de huidige koolstofvoorraad. Dit cijfer is gebaseerd op expert oordeel na bekijken van literatuur o.a Wei X, M. Shao et al. (2014).
- Voor de huidige situatie maken we gebruik van de door het regressiemodel berekende maximale koolstofvoorraad van het huidige landgebruik. We vergelijken dan de 2 evenwichtstoestanden van het huidige en toekomstige landgebruik. Het verschil tussen deze evenwichtstoestanden is wat we meenemen in de waardering.
- We veronderstellen dat bij afgraving door infrastructuurwerken de opgeslagen koolstof vrijkomt, maar kunnen hier geen jaarlijkse evolutie opplakken.
- De cijfers voor waardering zijn afgeleid uit een grondig literatuuroverzicht (zie tabel). Voor tussenliggende jaren worden de kengetallen lineair geëxtrapoleerd. Na 2050 geldt de waarde in 2050. We rekenen standaard in de webtool met een minimumwaarde van 100 en een maximumwaarde van 366€.
Te gebruiken cijfers​
Tabel: score voor kwalitatieve waardering
| score | ondergrens ton C/ha |
|---|---|
| 1 | 0 |
| 2 | 108 |
| 3 | 216 |
| 4 | 323 |
| 5 | 431 |
| 6 | 539 |
| 7 | 647 |
| 8 | 755 |
| 9 | 862 |
| 10 | 970 |
bron: gebaseerd op ECOPLAN (2016) kaart potentiële koolstofvoorraad
Kwantitatieve waardering van de potentiële totale koolstofvoorraad in de bodem
Ecosysteem gemiddelde schatting (ton C/ha)
Akker (ton/ha) : (4.4118 + 0.2293 x %Klei + 5.1805 x Bemesting - 0.0047 x GLG + 3.3852 x Podzol + 6.1161 x Anthrosol + 0.0001 x Klei x GHG - 0.2460 x Klei x Bemesting + 0.2027 x Veen) x 10
Weiland (ton/ha): (8.6475 + 0.0290 x %Zand - 0.0041 x GLG + 2.2362 x Bemesting + 0.9863 x Podzol + 4.1541 x Anthrosol + 7.3375 x Veen - 0.00004 x GLG x %Zand) x 10
Bossen (ton/ha) : (13.6456 + 0.2451 x Klei - 0.0021 x GHG + 13.8138 x Alnus - 2.1068 x Pinus - 1.4378 x Fagus + 1.5349 x Populus + 4.7563 x Anthrosol - 3.7087 x Arenosol + 21.5834 x Gleysol + 55.7464 x Histosol + 3.9704 x OtherWRB - 2.6497 x Podzol - 1.5441 x Retisol + 0.6699 x Ferraris) x 10
Heide en struweel, bloem- en soortenrijke graslanden en ruigten, weinig of niet begroeide natuurgebieden, natte natuur (ton/ha) : (13.8572 + 0.2006 x %Klei - 0.0126 x GLG + 13.4339 x Veen + 4.2009 x Podzol - 3.5461 x Heide + 1.9306 x Ruigten en pioniersvegetatie + 2.1491 x Rietland) x 10
bron: Ottoy, Beckers et al. 2015; Ottoy, Elsen et al. 2016. Om tot een ton/ha te komen vermenigvuldigen we de functies met 10, GLG/GHG in m
Tabel: zand, leem en klei% per bodemtextuur
| bodemtextuur | zand % | leem % | klei % |
|---|---|---|---|
| Z (X) | 90 | 8 | 2 |
| S | 75 | 20 | 5 |
| P | 60 | 35 | 5 |
| L | 30 | 60 | 10 |
| A (G) | 5 | 85 | 10 |
| E | 35 | 35 | 30 |
| U | 15 | 35 | 50 |
| V | 35 | 30 | |
| Andere | 45 | 41 | 14 |
Bron: Meersmans et al. 2008 en aanpassing VITO
Opmerking: voor textuurklassen van de bodemkaart die niet in deze lijst voorkomen kon geen waarde berekend worden, met uitzondering van textuurklasse G (stenig leem) die bij A gevoegd werd en textuurklasse X (duinen) die bij Z gevoegd werd (bron: NARA rapporten ecosysteemdiensten). Voor de overige textuurklassen (vaak combinatie) werd een gemiddelde genomen van de gekende klassen.
Tabel: hoeveelheid koolstof in de boslaag extra parameters bos op te tellen bij berekening bossen
| Type bos | hoeveelheid koolstof |
|---|---|
| Loofbos | 10 ton/ha |
| Gemengd bos | 20 ton/ha |
| Naaldbos | 35 ton/ha |
De bekomen waarden uit deze formules zijn de potentiële totale voorraad in het gebied. Om deze om te zetten naar een jaarlijkse opslag gaan we ervan uit dat het verschil tussen de huidige en potentiële maximale opslag jaarlijks met 2,5% afneemt.
Tabel: monetaire waardering: kengetallenreeks voor externe kosten van broeikasgassen voor C-opslag in de periode 2010-2050.
| Ref jaar (1) | euro/ton CO2-eq. | euro/ton C (2) |
|---|---|---|
| 2010 | 20 | 73 |
| 2020 | 60 | 220 |
| 2030 | 100 | 366 |
| 2040 | 160 | 586 |
| 2050 | 220 | 805 |
(1) Ref jaar = jaar van emissie of van opslag van broeikasgas (2) 1 ton C = 3.66 ton C02 Bron: op basis van De Nocker et al. 2010
Vertaling naar een indicator​
Om de dienst te communiceren hanteren we 3 indicatoren waarvoor we de ecosysteemdiensten koolstofopslag in de bodem en koolstofopslag in biomassa optellen:
- De vermeden kosten voor maatregelen om koolstofemissies te mitigeren. Deze is gelijk aan de som van de gemiddelde monetaire waardering van de dienst koolstofopslag in de bodem en de dienst koolstofopslag in biomassa.
- De jaarlijkse koolstof uitstoot van een gemiddelde Vlaming: 3.55 ton/jaar
- De uitstoot aan koolstof van een gemiddelde autokm: 48 g/km (COPERT)
Een voorbeeld​
Een weiland van 150 ha op een zandleembodem (textuur L) wordt ingericht als 50 ha beukenbos, 50 ha bloem- en soortenrijk grasland en 50 ha moeras. Het moeras zal uit ongeveer 25% riet bestaan. Het weiland was relatief droog en heeft een GHG van 102 cm en een GLG van 150 cm en werd bemest (1,5 ton C/ha.jaar). Als we naar de world reference base kijken is er geen Podzol aanwezig en 20% Anthrozol. Er is ook geen veengrond.We veronderstellen dat het bos droog blijft met dezelfde grondwaterstanden en dat het soortenrijk grasland iets vernat (GHG van 40 cm en een GLG van 90 cm). Ook het moeras wordt natuurlijk erg nat (GHG 30, GLG 40)
Kwalitatieve waardering
Voor het huidige gebied is de gemiddelde C in de bodem per ha 150 ton C/ha: een score van 2 Voor het toekomstig gebied stijgt deze voorraad licht tot een gemiddelde van 174 ton/ha: dit is nog steeds een score 2
Kwantitatieve waardering
We beschikken niet over bodemstalen. We berekenen daarom op basis van de formules (zie tabel) de potentiële koolstofvoorraad onder het huidige landgebruik. Deze is berekend met de formule voor weiland (zie formule weiland hieronder). We veronderstellen dat het huidige gebied in evenwicht is en dat de huidige voorraad dan ook gelijk is aan de berekende maximale koolstofvoorraad (22 500 ton koolstof).
Huidig gebied: Berekening potentiële voorraad weiland (bodemtextuur L, GHG/GLG 102/150): (8,6475 + 0,0290 x 30 – 0,0041 x 1.5 + 2,2362 x 1,5 + 0,9863 x 0 + 4,1541 x 0.2 + 7,3375 x 0 – 0,00004 x 150 x 30) ∗10= 150 ton C/ha
Met de formules berekenen we de potentiële voorraad onder het toekomstig landgebruik (zie formules grasland, bos en natuur). De potentiële voorraad onder het toekomstige landgebruik is 26563 ton koolstof.
Toekomstig landgebruik:
Berekening potentiële voorraad natuur (50 ha bloemenrijk grasland ) (bodemtextuur L, GHG/GLG 40/90 cm): (13.8572+0.2006 x 10-0.0126 x 0.9+13.4339 x 0+4.2009 x 0 -3.5461 x 0 +1.9306 x 0 +2.1491 x 0) x 10=159 ton C/ha
Berekening potentiële voorraad bos (bodemtextuur L, GHG/GLG 102/150):
(13.6456+0.2451 x 10-0.0021 x 1.5+13.8138 x 0 -2.1068 x 0 -0.4378 x 1 +1.5349 x 0 + 4.7563 x 0.25 - 3.7087 x 0 +21.5834 x 0 +55.7464 x 0 +3.9704 x 0.75 +2.6497 x 0 -1.5441 x 0 +0.6699 x 0) x 10 +10 ton/ha voor bosgrond onder loofbos = 208 ton C/ha
Berekening potentiële voorraad moeras:
(13.8572+0.2006 x 10-0.0126∗0.4+13.4339 x 0+4.2009 x 0-3.5461 x 0+1.9306 x 0+2.1491 x 1)∗10=180 ton C/ha
(13.8572+0.2006 x 10-0.0126 x 0.4+13.4339 x 0+4.2009 x 0-3.5461 x 0+1.9306 x 0+2.1491 x 0)∗10=159 ton C/ha
De jaarlijkse toename/afname in de koolstofvoorraad gebeurt bij benadering proportioneel (2.5%) ten opzichte van het resterend verschil tussen de te bereiken evenwichtstoestand en de huidige koolstofvoorraad. In jaar 1 is dit verschil volgens de lage schatting: (159 ton C/ha - 150 ton C/ha) x 2,5% x 50 ha (grasland) + (208 ton C/ha – 150 ton C/ha) x 2,5% x 50 ha (bos) +( 180ton C/ha -150 ton C/ha)(rietland) x 2.5% x 12.5 ha)+(159-150)(rest moeras) x 2.5% x 37.5 ha)= 101,56 ton C/jaar
Monetaire waardering
Op basis van bovenstaande berekening blijkt dat de verandering in landgebruik een jaarlijkse baat heeft tussen 10 156€ (101,56ton C x 100 €/ton C) en 37 172€ (101,56 ton C x 366€/ton C)
Indicator
De vermeden kosten door C opslag zijn gemiddeld gelijk aan 20 664€/jaar De koolstof die bijkomend wordt opgeslagen is gelijk aan de jaarlijkse uitstoot van 29 Vlamingen (101,56/3,55) en 2,1 miljoen autokilometers (101,56 ton x 1000000/48 g).