Zelfs vanuit de ruimte is die toegenomen productiviteit zichtbaar. Satellietwaarnemingen laten zien dat in het hele noordpoolgebied de productiviteit van de toendravegetatie is toegenomen. Dit wordt Arctic greening genoemd. Ook op de grond is duidelijk dat de vegetatie aan het veranderen is. Amerikaanse onderzoekers gingen begin deze eeuw terug naar plekken waar eind jaren veertig in de vorige eeuw luchtfoto’s waren gemaakt en zagen dat voornamelijk struikvegetatie zich had uitgebreid.
Gassen in de permafrost
Een belangrijk kenmerk van de Arctische ecosystemen is dat de grond er permanent bevroren is. Dit heet permafrost. Permafrost is over grote oppervlakken te vinden in Siberië, Canada en Alaska, en is vaak honderden meters dik. In de zomer dooit de bovenste laag van de permafrost. In het internationale jargon van Arctisch ecologen heet dit de active layer. In deze dooilaag wortelen de planten en moeten ze water en voedingsstoffen opnemen tijdens een kort groeiseizoen.
Met de opwarming van het klimaat ligt het voor de hand dat de permafrost meer gaat dooien in de zomer en dat de actieve dooilaag dikker wordt. Dat zou betekenen dat diepere bodemlagen, die duizenden jaren bevroren zijn geweest, weer extra voedingsstoffen kunnen gaan leveren. En niet alleen voedingsstoffen. In de permafrost zitten tienduizenden jaren oude plantenresten die al die tijd als het ware in de diepvries bewaard zijn gebleven.
Als die plantenresten ontdooien kunnen bacteriën en schimmels deze gaan verteren. Bij dit afbraakproces komen voedingsstoffen voor de planten vrij, maar worden ook de broeikasgassen kooldioxide (CO2) en methaan (CH4) geproduceerd. Er is dan ook grote zorg over het eventueel vrijkomen van grote hoeveelheden broeikasgassen uit deze voorheen permanent bevroren bodems, wanneer deze in een warmer klimaat ontdooien.
Naar schatting ligt er ruim 1.600 gigaton (één ton met negen nullen) koolstof in de permafrost opgeslagen. Dat kan potentieel de lucht ingaan bij dooi. Ter vergelijking, die 1600 gigaton is het dubbelde van de huidige totale hoeveelheid koolstof in de atmosfeer! Omdat deze uitgestrekte permafrostgebieden met veel organisch koolstof in de bodem zich juist bevinden in het gebied dat wereldwijd het snelst opwarmt, wordt dit gezien als een van de belangrijkste potentiële terugkoppelingen die de klimaatverandering kunnen versterken.
Struiken als warmtespons of isolator
Het is dus belangrijk om meer te weten te komen over het ontdooien van de permafrost. Klimaat speelt uiteraard een belangrijke rol bij het ontdooien van permafrost, maar het is niet de enige factor. Op een bepaalde locatie kan de dikte van de dooilaag gemakkelijk variëren tussen 20 en 60 cm. Vegetatiestructuur, bodemsamenstelling en water spelen hierin een belangrijke rol.
Met een onderzoeksgroep van Wageningen Universiteit is uitgezocht hoe de vegetatieveranderingen, in het bijzonder de uitbreiding van struikvegetatie, het ontdooien van de permafrost in de zomer beïnvloeden. In een groot veldexperiment is de vegetatiestructuur gemanipuleerd om de invloed van struiken op de bodem te onderzoeken. In ronde proefvlakken van 10 meter doorsnee zijn struikjes weggeknipt. Vervolgens werd de dooilaagdikte in deze proefvlakken zonder struikjes vergeleken met die in ongestoorde proefvlakken met struikjes.
Het onderzoeksgebied ligt in Noordoost-Siberië, een gebied waar nog weinig onderzoek was gedaan, maar waarvan wel bekend was dat de permafrost grote hoeveelheden organisch koolstof bevat en dat er een sterke klimaatverandering gaande is. De onderzoek locatie ligt in het Kytalyk natuurreservaat, dat is opgezet ter bescherming van de zeldzame en bedreigde Siberische kraanvogel.
Kytalyk is het geluid en de lokale naam van deze bijzondere vogelsoort. Het terrein is vlak, met lage vegetatie, waarin interessante patronen te ontdekken zijn. Het is er vrij nat vanwege de permafrost die verhindert dat het regen- en smeltwater diep in de grond kan wegzakken. De donkere vegetatie op de foto’s hieronder bestaat voornamelijk uit struikjes met dwergberk (Betula nana). Daar omheen is het natter met voornamelijk mos en gras. De dwergberk is een veelvoorkomende soort, ook in Noord-Amerika en Scandinavië. Het is een van de struiksoorten waarvan wordt verwacht dat deze zich uitbreidt onder invloed van de opwarming van het klimaat.
In het experiment werden de dwergberkstruikjes, die zo’n 20 cm hoog waren, weggeknipt in vijf proefvlakken. Wat resteerde in die proefvlakken waren wat grassen, een paar andere dwergstruikjes en vooral mossen. Mossen staan erom bekend dat ze een isolerende werking hebben. In de vijf ongestoorde controlevlakken werd de vegetatie gedomineerd door de dwergberk met daaronder ook een moslaag.
Een jaar na het weghalen van de struikjes was al duidelijk dat dit zorgde voor een diepere dooilaag. Dit gebeurde dus ondanks de intact gebleven moslaag en ondanks de lichtere kleur van de vegetatie, die meer zonnestraling reflecteert. De ongestoorde struikvegetatie is relatief donker en absorbeert dus meer zonnestraling. Dit verschil in absorptie van zonnestraling konden we ook meten, maar desondanks gaat er toch meetbaar minder van die warmte de grond in. De vegetatie van lage struikjes lijkt dus een beschermende werking te hebben ten aanzien van het ontdooien van de permafrost.
Op zichzelf is dat dus goed nieuws, want als juist deze vegetatie zich uitbreidt zou dat het ontdooien van de permafrost onder invloed van de opwarming kunnen vertragen. Tegelijk past hier een kanttekening. Modelstudies laten zien dat op grotere schaalniveaus de albedo-effecten (het meer of minder reflecteren van zonlicht) wellicht belangrijker kunnen zijn. Dat zou betekenen dat de dooi juist toeneemt bij een toename van de donkere struiken. Voor experimentele studies zijn deze atmosferische terugkoppelingen natuurlijk zeer lastig te meten.
Na één jaar was het verschil in dooilaagdikte nog niet zo groot, zo’n 5 cm, maar daar bleef het niet bij. Het verschil tussen controle en geknipte proefvlakken werd geleidelijk groter. Je zag dat sommige geknipte proefvlakken ook natter werden; het leek wel of ze aan het inzakken waren! Dit werd bevestigd door hoogtemetingen met landmeetapparatuur.
De onveranderde dwergberkvegetatie in een controle proefvlak (foto 1 en 3) en een proefvlak van 10 meter doorsnee (foto 2 en 4) waarin de dwergberkjes zijn weggeknipt, in 2010 (foto 1 en 2) en in 2014 (foto 3 en 4) waarbij de grond inzakte en er een dooimeertje is ontstaan.
Inmiddels is het zeven jaar na de start van het experiment. In een aantal geknipte proefvlakken zijn zelfs poeltjes ontstaan, terwijl de controle proefvlakken niet zijn veranderd. Permafrost is permanent bevroren grond, maar in die bevroren grond zitten ook pure ijslagen. Als het dieper dooit, in dit geval door het weghalen van de beschermende struiklaag, kan dat pure ijs smelten en zakt de grond die er boven zit in. Vervolgens blijft water in die ingezakte grond staan en kunnen er permanente poeltjes ontstaan. Het water in die poeltjes is relatief donker en absorbeert veel zonnestraling, wat weer kan zorgen voor verdere dooi en uitbreiding van de poeltjes.
Al met al mag je concluderen dat het wegknippen van de struiken heeft gezorgd voor een bijna letterlijke instorting van het ecosysteem. Dit laat zien hoe kwetsbaar de toendravegetatie is en dat verstoring door menselijke activiteiten vergaande gevolgen kan hebben. De eerder genoemde foto’s uit de jaren veertig bijvoorbeeld, waren genomen met het oog op mogelijke olie- en gaswinning in het gebied!
Er zijn ook consequenties van de lokale opwarming voor de broeikasgassen. In de nieuw ontstane meertjes, waarbij zo’n 30 cm permafrost ontdooid is, kan methaan worden gevormd. Methaan is een ruim 30 keer sterker broeikasgas dan CO2. De metingen lieten zien dat er inderdaad methaan vrijkwam uit de natte, verder ontdooide, geknipte proefvlakken. Dit was niet het geval in de drogere controlevlakken.
Toevallig was er na de publicatie van dit onderzoek een debat in de Tweede Kamer over het klimaatbeleid van Nederland. Er werd een motie ingediend waarbij, geïnspireerd door dit onderzoek, aan de regering werd gevraagd om in de internationale klimaatonderhandeling te pleiten voor het vrijwaren van het noordpoolgebied van olie- en gaswinning, gezien de aantoonbare kwetsbaarheid van het gebied voor verstoring en de consequenties voor de broeikasgasbalans.
Het onderzoek laat verder zien hoe nauw vegetatie, permafrost, microreliëf en water met elkaar samenhangen. Deze verwevenheid is een belangrijk kenmerk van vlakke toendragebieden waarin water niet gemakkelijk wegstroomt en waar veel ijs in de permafrost aanwezig is. Het samenspel van vegetatie, bodem en permafrost beschermt die permafrost, maar maakt het ecosysteem ook kwetsbaar voor verstoring. In het onderzoek werd de vegetatie verstoord door het wegknippen van de dwergberkjes. Dat zette een kettingreactie in gang die binnen vijf jaar leidde tot het ontstaan van poelen die methaan uitstoten, versus struikvegetatie die de permafrost beschermde.
De nieuwe dooimeertjes in het experiment zijn niet uniek. Ook buiten het experiment zie je dooimeertjes waarin de dwergberkjes aan het verdrinken zijn en waarvan niet altijd duidelijk is waardoor die dooimeertjes zijn ontstaan. Ook in Alaska zijn nieuwe dooimeertjes aan het ontstaan, onder andere in een gebied waar oliewinning plaats vindt, en in West-Siberië is het oppervlak dooimeertjes ook toegenomen. Zou het kunnen dat in een opwarmend klimaat vaker dit soort inzakkingen door permafrostdooi plaatsvinden, waardoor nieuwe dooimeertjes en moerassen ontstaan die methaan uitstoten? Dat zou enorme consequenties hebben voor de broeikasgasuitstoot van toendragebieden en daarmee potentieel ook voor het wereldwijde klimaat.