Verstoring van systeem Aarde - de Stikstofcyclus

De stikstofcyclus is de natuurlijke kringloop van stikstof door de atmosfeer, planten en bodems. Afgelopen decennia wordt de stikstofcyclus ernstig bedreigd, en de mens is daarvoor verantwoordelijk. Jaarlijks wordt er 150 miljoen ton stikstofgas (N₂) uit de atmosfeer gehaald en omgezet in kunstmatige stikstof voor menselijke doeleinden. De landbouw speelt met een jaarlijkse omzet van 120 miljoen ton een hoofdrol. Grote hoeveelheden stikstof eindigen in water- en landsystemen. De impact van extra kunstmatige stikstof op het milieu is zo groot dat de stikstofcyclus mogelijk al voorgoed uit zijn natuurlijke evenwicht is verschoven.

De natuurlijke cyclus van stikstof

Stikstof is een cruciaal onderdeel voor al het leven op aarde. Het wordt bijzonder intensief gebruikt door zowel de mens als de natuur. Stikstof zit onder andere vastgelegd in aminozuren, eiwitten en DNA. 99% van al het beschikbare stikstof komt voor als stikstofgas (N₂) in de atmosfeer. Raar genoeg zijn de meeste organismen (ook de mens) niet in staat om zelf het stikstofgas in bruikbare verbindingen om te zetten. Slechts enkele, speciale bacteriën in de bodem zijn in staat om stikstofgas uit de atmosfeer om te zetten in nuttige stikstofverbindingen, bijvoorbeeld ammonium (NH₄+).

Het vastleggen van stikstof door bacteriën in de bodem heet stikstoffixatie. Het proces waarbij het stikstofgas door deze bacteriën wordt omgezet tot nuttige stikstofverbindingen heet stikstofmineralisatie. Deze processen samen vormen een belangrijk onderdeel van de stikstofcyclus. De verantwoordelijke bacteriën worden nitrificerende bacteriën genoemd. Alle overige organismen zijn afhankelijk van stikstof dat is vastgelegd door deze bacteriën.

Verstoring van de cyclus

De landbouw is veruit de grootste oorzaak van verstoring in de stikstofcyclus. Ook staat landbouw aan de basis van milieuverontreiniging. Dit is met name door het gebruik van stikstof en fosfor in kunstmest. De extra toevoer van stikstof en fosfor is nu zo groot dat ze op wereldwijde schaal de natuurlijke cycli van deze twee elementen ernstig verstoren. Vooral de stikstofcyclus wordt extreem in zijn natuurlijke grenzen overschreden.

Omzet van stikstofgas

Deze menselijke invloed op stikstofcyclus is diepgaand. Jaarlijks wordt er ~150 miljoen ton stikstofgas uit de atmosfeer omgezet naar kunstmatige stikstofverbindingen. Deze omzet levert grote stress op voor natuurlijke systemen. Door de mens gedreven omzet van stikstofgas vindt plaats via vier processen:

De landbouw zorgt er voor dat jaarlijks 120 miljoen ton stikstofgas uit de atmosfeer wordt omgezet voor kunstmatig gebruik. Dit is meer dan alle natuurlijke processen op aarde bij elkaar. Dit terwijl slechts een klein deel van de kunstmatige stikstofverbindingen daadwerkelijk wordt gebruikt door gewassen.

Aantasten van aardse systemen
Veel van de nieuwe stikstofverbindingen worden teruggebracht naar de atmosfeer of komen in het milieu terecht. Hier vervuilt het waterwegen en kustgebieden, hoopt het op in natuurlijke systemen op het land en brengt het een aantal gassen in de atmosfeer. Als gevolg wordt de veerkracht van natuurlijke systemen op aarde aangetast. De veerkracht van een systeem is het vermogen om snel van een verstoring te herstellen. Deze impacts op natuurlijke systemen bepalen samen in hoeverre het evenwicht van de stikstofcyclus bedreigd wordt. Enkele voorbeelden van impacts op aardse subsystemen zijn:

• Het vrijkomen van N₂O door het bedrijven van landbouw. N₂O is na CO₂ het meest belangrijke broeikasgas en versterkt direct het broeikaseffect. Het vormt zo een indirecte drijfveer voor klimaatverandering.
• Overmatige toevoer van stikstof via de landbouw leidt er toe dat natuurlijk drinkwater in meren wereldwijd veranderd in onbruikbaar, troebel water.
• De kunstmatige stikstofverbindingen leveren vooral veel stress in watersystemen. In de Baltische zee zijn zo zuurstofarme omstandigheden ontstaan. Stikstof en fosfor laten na een aantal chemische reacties zuurstof weg reageren in andere stoffen. Gebrek aan zuurstof levert, net zoals voor de mens, veel stress op voor daar in het water levende organismen.

Planetary boundary – Een veilige grens voor de stikstofcyclus

Op wereldwijde schaal is de overmatige toevoeging van kunstmatige stikstof in de atmosfeer een langzame factor voor het aantasten van aardse subsystemen. Een uitzondering is het vrijkomen N₂O, dat indirect een drijfveer vormt voor klimaatverandering. De omzet van stikstofgas in kunstmatige stikstofverbindingen wordt daarom gebruikt om een planetary boundary te vormen voor de stikstofcyclus. Een planetary boundary staat voor een veilige grens waarbij de mensheid werkzaam kan zijn op planeet Aarde, zonder daarbij de stikstofcyclus voorgoed uit zijn natuurlijke evenwicht te halen.

De jaarlijkse omzet bedraagt 150 miljoen ton stikstofgas. Wetenschappers hebben de grens voor de stikstofcyclus op 35 miljoen ton stikstofgas gesteld. Zo blijft de hoeveelheid stikstof dat het milieu binnendringt gecontroleerd. Deze grens zal de toevoer van stikstof naar watersystemen ook sterk verminderen. Ook kan het de drang naar alternatieve manieren om voedsel te produceren triggeren.

Lees verder

• Verstoring van systeem Aarde - de Fosforcyclus
• Verstoring van systeem Aarde - Klimaatverandering