Systeem Aarde en de mens

Duurzame ontwikkeling

Duurzame ontwikkeling voorziet in wat we nu nodig hebben zonder de mogelijkheden van latere generaties aan te tasten. Biologisch gezien komt dat neer op één vraag: sluiten de kringlopen?

In een gesloten kringloop komt alles wat eruit gaat er ook weer in; er gaat geen grondstof verloren en er blijft geen afval over. Bij een open kringloop lekt er iets weg of wordt er van buiten toegevoegd, en dat is op den duur niet vol te houden. Materiaal dat biologisch afbreekbaar is, kan door reducenten terug de kringloop in; wat dat niet is, hoopt zich op. De uitkomst laat zich meten aan de biodiversiteit.

Duurzame energieproductie

Bij energieproductie bepaalt de keuze van de bron hoeveel uitstoot, ruimte en grondstof ermee gemoeid is. Hernieuwbare bronnen vullen zichzelf op menselijke tijdschaal aan — zon, wind, water, biomassa — terwijl fossiele bronnen dat niet doen.

De goedkoopste winst zit vaak niet in een andere bron maar in energiebesparing: minder energie gebruiken voor hetzelfde resultaat. Elke bespaarde eenheid hoeft niet opgewekt te worden en kost dus ook geen ruimte of grondstof.

Duurzame voedselproductie

Bij voedselproductie telt de plaats in de voedselketen. Hoe verder je van de producent af oogst, hoe meer energie er onderweg als warmte verloren is gegaan — plantaardig voedsel levert per hectare dus veel meer op dan dierlijk.

Bestrijdingsmiddelen verhogen de opbrengst, maar werken zelden alleen op de doelsoort en kunnen zich in de keten ophopen. Biologische landbouw laat kunstmest en chemische bestrijdingsmiddelen weg en zet in op bodemleven en gesloten kringlopen; daar staat een lagere opbrengst per hectare tegenover, en dus meer grondgebruik.

Accumulatie in de voedselketen

Accumulatie is ophoping: een stof komt sneller binnen dan hij wordt afgebroken of uitgescheiden. Vooral persistente stoffen doen dat, want die blijven lang in het milieu en krijgen zo de tijd.

Het vervelende zit in de voedselketen. Een roofdier eet veel prooien en neemt van elk de opgehoopte hoeveelheid over, zodat de concentratie per trofisch niveau verder oploopt. Bovenaan de keten kan die daardoor duizenden malen hoger liggen dan in het water of de bodem. Microplastic volgt dezelfde weg. Bij bestrijdingsmiddelen komt er nog iets bij: de doelsoort wordt resistent, terwijl de stof zich elders wél ophoopt.

Kringlopen van elementen

Anders dan energie gaan stoffen wél rond. Een element doorloopt een kringloop en komt uiteindelijk weer terug bij het begin.

De drie groepen hebben elk hun rol. Producenten bouwen anorganische stof in tot organische stof, met fotosynthese als motor. Consumenten geven die stof door en breken een deel af bij hun dissimilatie. Reducenten sluiten de kring: zij breken dode resten en uitwerpselen af tot anorganische stof, waarmee de bouwstoffen weer beschikbaar komen. Zonder reducenten loopt elke kringloop binnen de kortste keren vast.

De koolstofkringloop en de stikstofkringloop zijn de twee die het examen het vaakst vraagt.

Processen in de stikstofkringloop

Stikstofgas is verreweg de grootste voorraad stikstof, maar zo stabiel dat vrijwel geen organisme hem rechtstreeks kan gebruiken. De kringloop draait daarom om een reeks omzettingen, elk door hun eigen bacteriën.

Stikstofbinding maakt van stikstofgas een bruikbare vorm. Ammonificatie levert uit dode resten en uitwerpselen ammoniak en ammonium. Nitrificatie zet ammonium via nitriet om in nitraat, de vorm die planten het best opnemen — dat gebeurt aeroob. Denitrificatie doet het omgekeerde en brengt nitraat terug naar stikstofgas; dat gebeurt juist anaeroob, in natte, zuurstofarme bodems.

Ook methaan hoort in dit rijtje: het ontstaat bij afbraak zonder zuurstof en is een sterk broeikasgas.

Verstoring van kringlopen

Komt er meer van een stof in het systeem dan de kringloop aankan, dan loopt het ergens over. Nitraat spoelt gemakkelijk uit naar grond- en oppervlaktewater, waar het niet meer bij de wortels komt maar wel de waterkwaliteit bepaalt.

Daar veroorzaakt het eutrofiëring: algen groeien hard, sterven af, en hun afbraak haalt het zuurstof uit het water — met vissterfte als gevolg. In de atmosfeer speelt hetzelfde met koolstof: broeikasgassen houden warmtestraling vast, wat op zichzelf normaal is en de aarde leefbaar maakt, maar bij een te hoge concentratie het klimaat verschuift.

Kringlopen sluiten

Wat de mens doet, bepaalt of een kringloop open of gesloten blijft. Hergebruik houdt een product in omloop; recyclen brengt het materiaal terug tot grondstof en maakt er iets nieuws van. Allebei besparen ze grondstof, maar recyclen kost zelf ook energie.

De uitkomst laat zich aflezen aan de biodiversiteit. Blijven kringlopen open, dan hoopt zich aan de ene kant afval op en raakt aan de andere kant grondstof op, en dat gaat ten koste van de verscheidenheid aan soorten en ecosystemen.

Successie

Een kale plek blijft niet kaal. In een vaste volgorde nemen levensgemeenschappen elkaars plaats in, en elke fase verandert de omstandigheden voor de volgende — dat is successie.

Pioniersoorten komen als eerste: ze verdragen zware omstandigheden en maken de bodem geschikt voor soorten die minder kunnen hebben. Uiteindelijk ontstaat een climaxecosysteem, waarin de samenstelling niet wezenlijk meer verandert zolang de omstandigheden gelijk blijven. In Nederland zou dat vrijwel overal bos zijn.

Overgangen en groei

De motor achter de overgangen is concurrentie: soorten die het in de nieuwe omstandigheden beter doen, verdringen de vorige.

Een groeicurve laat zien hoe een populatie zich daarbij ontwikkelt. Eerst loopt hij steil op, daarna vlakt hij af naarmate de draagkracht in zicht komt. Een gradiëntecosysteem is een gebied waarin een factor geleidelijk verloopt, bijvoorbeeld van nat naar droog of van zout naar zoet. Doordat er voor veel soorten ergens een geschikte plek zit, leven er veel meer soorten dan in een uniform gebied.

Evenwicht en omslag

Een ecosysteem kan in meer dan één evenwichtstoestand verkeren. De draagkracht geeft aan hoeveel individuen een gebied blijvend kan onderhouden; daarboven neemt de sterfte toe of de aanwas af, waardoor het aantal weer terugzakt.

Zolang een verstoring binnen de tolerantiegrenzen blijft, veert het systeem terug. Maar bij aanhoudende druk kan het een omslagpunt bereiken en in één keer naar een heel andere toestand kantelen — een helder meer dat troebel wordt, bijvoorbeeld. Terugdraaien lukt dan meestal niet door de druk simpelweg weg te nemen.

De mens en de ontwikkeling van ecosystemen

Klimaatverandering verschuift temperatuur en neerslag, en daarmee waar soorten kunnen leven en wanneer ze bloeien, uitkomen of trekken. Dat verandert niet alleen de plek van een soort, maar ook of hij zijn voedsel of bestuiver nog op het juiste moment tegenkomt.

Doordat die verschuivingen sneller gaan dan veel soorten zich kunnen aanpassen of verplaatsen, verandert de ontwikkeling van hele ecosystemen — en daarmee het systeem Aarde.