Droogte onder en boven de grond

In de afgelopen dagen kwamen er nieuwsberichten voorbij over hoe het kan dat de lentes droger worden en dat er tegelijkertijd over het gehele jaar meer neerslag valt in Nederland, wat de effecten hiervan zijn op bomen en insecten, en hoe aardappelplanten weerbaarder gemaakt kunnen worden tegen droogte. Er is daarbij weinig aandacht voor wat de droge omstandigheden aanrichten ónder de grond. Terwijl de effecten van droogte op de landbouw en natuur vooral via de bodem werken.

Droogte zorgt ervoor dat er in de bodem te weinig water beschikbaar is voor planten, maar ook voor bodemorganismen, waarvan de meeste afhankelijk zijn van een waterfilm rondom bodemdeeltjes en organisch materiaal. Planten kunnen geen water meer opnemen met hun wortels en sluiten hun huidmondjes om waterverlies via bladeren te beperken. Dat betekent dat ze niet meer groeien, en dat er ook geen wortelexudaten – cocktails van suikers, zuren, en signaalstoffen waardoor plantenwortels met micro-organismen communiceren – meer de bodem ingepompt worden.

Bodembeestjes zoals springstaarten en mijten kunnen naar diepere bodemlagen kruipen op zoek naar water, maar bacteriën en nematoden (aaltjes) gaan in slaapstand. Bacteriën passen hun waterhuishouding aan door zouten vast te houden, maar als de droogte te lang duurt, gaan veel organismen dood. Schimmels houden het langer vol, omdat die met hun lange draden voedingstoffen en vocht op verschillende locaties bij elkaar kunnen scharrelen. Maar uiteindelijk komt het hele systeem tot stilstand. Er vinden geen processen meer plaats, zoals de afbraak van organisch materiaal en de mineralisatie van stikstof.

Eerste regenbui

Totdat de bodem weer nat wordt, door die eerste regenbui. Die vernatting richt een slagveld aan in de bodem, omdat bacteriën niet snel genoeg de waterhuishouding in hun cel kunnen aanpassen, en ontploffen. Maar die plotselinge water-puls zorgt ook voor een fysische reactie van bodemdeeltjes, waardoor organisch materiaal beschikbaar komt voor versnelde afbraak. Daarbovenop worden de overblijfselen van alle bodemorganismen die dood zijn gegaan tijdens de droogte nu snel afgebroken. Dit zorgt voor een piek in CO₂-productie, die de bodem verlaat, en in stikstofmineralisatie. Maar omdat planten ook dood zijn gegaan en schade hebben geleden kunnen zij al die stikstof niet opnemen, en is er een verhoogd risico op stikstofuitspoeling. In ecosystemen waar de bodem normaal gesproken verzadigd is met water, zoals moerassen een veengebieden, zorgt droogte juist voor een snellere afbraak van organisch materiaal.

In de weken na die eerste regenbui wordt de schade pas echt duidelijk. Welke planten hebben het overleefd, en welke micro-organismen? En wat zijn de gevolgen voor de bovengrondse en ondergrondse soortensamenstelling, en het functioneren van het ecosysteem? Planten die beter tegen droogte kunnen, omdat ze diepere wortels hebben, of omdat ze minder maar wel grotere huidmondjes hebben die langer door kunnen gaan met CO₂ opnemen. Onder de grond zijn er bepaalde groepen bacteriën en schimmels die beter met droogte kunnen omgaan, bijvoorbeeld omdat ze dikkere celwanden hebben. Maar zowel bovengronds als ondergronds zijn er ook soorten die misschien bijna weggevaagd worden door zo’n periode van droogte, maar heel snel weer terug kunnen groeien, omdat ze in staat zijn snel de voedingsstoffen op te nemen die vrijkomen als de bodem weer nat is.

Beter tegen droogte kunnen

Plantenwortels en bodemorganismen zijn intiem met elkaar verbonden, en deze interacties kunnen net zo belangrijk zijn als de directe effecten van droogte op beide partijen. Plantenwortels werken samen met schimmels voor de opname van voedingsstoffen, maar deze schimmels kunnen er ook voor zorgen dat planten beter tegen droogte kunnen. Bepaalde bacteriën rondom plantenwortels kunnen biofilms vormen waardoor de zone rond de wortels minder sterk uitdroogt.

Droogte kan het vóórkomen van ziekteverwekkers in de bodem juist verminderen, maar tegelijkertijd kan droogte er ook voor zorgen dat planten vatbaarder worden voor deze pathogenen. Sommige planten kunnen langer doorgaan met het voeden van bodemorganismen met exudaten en helpen hen om te overleven. Bovendien kunnen planten ná een droogte de samenstelling van deze exudaten veranderen en bodemorganismen stimuleren om voedingsstoffen vrij te maken zodat ze snel terug kunnen groeien. En schimmels die beter bestand zijn tegen droogte blijven de plant constanter van voedingsstoffen voorzien, ook na een droogte.

Onderzoek naar hoe bodemmicro-organismen de effecten van droogte op planten, vooral landbouwgewassen, kunnen verlichten is dan ook booming. Maar ook onderzoek aan planten in landbouwgraslanden en natuur kijkt steeds vaker naar de rol van interacties tussen planten en bodemmicro-organismen in de respons op toenemende droogte.

Lokale co-adaptatie

Wat is nu het effect van al deze veranderingen voor onze ecosystemen en hun functioneren? We beginnen eigenlijk pas net te begrijpen hoe belangrijk deze wisselwerkingen tussen planten en micro-organismen zijn, en een inkijkje te krijgen in de genetische en moleculaire mechanismen van deze interacties. Experimentele en observationele studies samen benadrukken steeds meer het belang van interacties tussen planten en bodemmicro-organismen voor het functioneren van ecosystemen en hun respons op veranderende omstandigheden, en laten zien dat lokale co-adaptatie een belangrijk mechanisme is voor ecosystemen om om te gaan met veranderende omstandigheden.

In ons eigen onderzoek richten we ons zowel op de mechanismen waardoor plantenwortels en micro-organismen communiceren in kasexperimenten, als op de gevolgen van deze interacties voor hoe plantengemeenschappen reageren op droogte, hitte, en overstromingen in grotere pot- en veldexperimenten, en de effecten van chronische droogte op de capaciteit van ecosystemen om CO₂ op te nemen in veldexperimenten. Deze experimenten, en die van andere onderzoekers wereldwijd, gaan ons helpen beter te voorspellen hoe ecosystemen reageren op klimaatverandering, en ze weerbaarder te maken tegen deze veranderingen.

Tekst: Franciska de Vries, IBED
Foto's: Franciska de Vries; Leonardo Hinojosa; Fangbin Hou