Vandløb og søer er ikke slyngler i klimabudgettet
Etablering af nye søer kan betyde en øget udledning af drivhusgasser til atmosfæren. Det skyldes, at de betaler en gæld – i form af methan og CO2 til luften – på grund af naturlig tilførsel af organisk og uorganisk kulstof med vandet fra land.
Af Kaj Sand-Jensen, Jonas Stage Sø og Theis Kragh.
I denne tid er der fokus på “Trepartsaftalen”, som har til formål at tage drænede og gødede lavbundsarealer ud af dyrkning for at reducere næringstilførslen til søer og kystvande og CO2-afgasningen samt øge naturarealet.
Når dræningen stopper, og jorderne bliver vådere, mindskes nedbrydningen af organisk stof i jorden. Og CO2-afgasning vender til CO2-optagelse fra luften, i takt med at naturlig vegetation indvandrer, og organisk stof lagres i den fugtige jord.
At jorde vådlægges, og der nogen steder opstår søer, har imidlertid mødt kritik, fordi der sker en vis frigivelse af methan, som er en kraftigere klimagas end CO2. Nye søer udpeges nærmest som slyngler i klimabudgettet.
Man glemmer imidlertid, at den samlede udledning af klimagasser går markant ned, når dyrkning og dræning af jorderne indstilles. Vores studier af nyoprettede småsøer viser, at CO2-tabet mindskes markant, og methan-afgasningens varmeffekt nogenlunde udlignes af deponering af organisk stof på søbunden.
I klimadiskussioner overser man, at naturens kredsløb af vand og kulstof (carbon) indebærer, at de ferske vande modtager en byrde af kulstof med vandet fra landjorden. Mens landjorden netto optager CO2 fra luften, betyder overførslen af kulstof fra land, at ferske vande samlet set frigør CO2 og methan til luften. Her beskriver vi mekanismerne ved at følge vandet og kulstoffet fra jorden til ferske vande og videre til havet, så alle er bedre klædt på i klimadebatten.
Kulstofbalance
1. Kulstofbalancen i en forsimplet skitse af et landskab i Nordsjælland med skov, åbent land, et vandløb, en lille skovsø og en større lavvandet grøn sø; Arresø i åbent land. Over skoven ses to modsatrettede pile for CO2-udvekslingen med luften, hvor optaget af CO2 er større end tabet. Fra land føres CO2, hydrogenkarbonat og organisk kulstof til søer og vandløb.
Selv om fraførslen per m2 fra landjorden er beskeden, bliver tilførslen til vandløbet meget høj pga. dets mange gange mindre areal. Og stor CO2- afgasning sker fra vandløbet til luften. Skovsøen aflejrer meget organisk kulstof på bunden. De næringsrige lavvandede søer fælder kalk ud på bunden, og de fjerner halvdelen af hydrogenkarbonatet ved passage. CO2 fra luften og fra kalkudfældning genfindes i det organiske stof i algesuppen i udløbet. Alle værdier er årsværdier i gram C per m2 af miljøet.
Processer i jorden
Nedbøren rammer landjorden, og det meste vand optages af planterødder, hvorfra det transporteres videre til bladene sammen med opløste næringsstoffer fra jorden. Bladene fordamper vand, når spalteåbninger er åbne om dagen og optager samtidigt CO2 fra luften til fotosyntese. Sammen med næringsstofferne producerer planten organisk kulstof for at vokse og leve.
Rødderne frigør organiske syrer som citronsyre, eddikesyre og oxalsyre for bedre at kunne opløse og optage næringsstoffer. Jorden tilføres tillige døde udtjente blade, stængler og rødder. Vegetationens nettobalance rummer derfor CO2-optagelse fra luften og tilførsel af organisk kulstof til jorden (se faktaboks). Bakterier, svampe og orme i jorden udnytter det organiske stof, danner CO2 ved respiration og efterlader eventuelt en rest i det organiske kulstoflager. Hæmmes omsætningen af lav pH eller af iltmangel, for eksempel i vandmættet jord, vokser det organiske kulstoflager. Det kender vi netop fra lavtliggende tørvejorde langs vandløb og i moser.
Imidlertid foregår en anden meget vigtig proces – det uorganiske kulstofs kredsløb – som forskere tidligere overså, og som fortsat glemmes i klimadebatten. Men kredsløbet af uorganisk kulstof er lige så vigtigt som det organiske kulstof, man sædvanligvis vurderer for at forstå CO2’s opførsel. Her ser vi nærmere på CO2’s samspil med kalk, mens samspillet med lermineraler udelades (se faktaboks).
I jorden skaber organismernes stofskifte et højt CO2-indhold, som er “aggressivt” over for kalk, som opløses under forbrug af CO2. Kalk er calciumkarbonat (CaCO3), som opløses som positive calcium-ioner (Ca2+) og negative hydrogenkarbonat-ioner (HCO3-) i jordvandet. Opløst CO2 i vand står i ligevægt med kulsyre (H2CO3), som er den aggressive part over for kalken. De organiske syrer fra rødderne medvirker også til at opløse kalken.
Fælles for opløsningen af kalk og opbygning af organisk kulstof i jorden er altså, at der forbruges CO2, som oprindeligt i kredsløbet blev optaget fra luften ved fotosyntesen. I udvekslingen mellem atmosfæren og landjorden optages derfor mere CO2 fra luften, end der returneres (se figur). Men! Det organiske stof og opløst calcium og hydrogenkarbonat er ikke borte. De føres videre af nedbørsoverskuddet på land og medbringer en “klimagæld” fra landjorden til ferske vande og derfra videre til havet.
Mens man fokuserede på det organiske stof fra land som en kilde til bundfældning af organisk stof og CO2-afgasning fra søer, glemte man den uorganiske del. Men højt indhold af opløst hydrogenkarbonat og calcium i de østdanske næringsrige søer står skønsmæssigt for to-tredjedele af CO2-afgasningen via kalkudfældningen. Det sker, når ovennævnte processer løber den modsatte vej ved høj pH. Kalken udfældes både ved algers og vandplanter fotosyntese, og når dyr danner kalkskaller eller kalkskeletter (se faktaboksen).
Opbygning og nedbrydning af organisk kulstof og kalk
Opbygning af organisk kulstof forbruger CO2 ved fotosyntesen, mens den modsatte proces, nedbrydning af organisk stof, frigør CO2:
CO2 + H2O (vand) ↔ organisk kulstof (org C) + O2 (dioxygen)
Højt CO2-indhold (processen mod højre) reducerer pH ved dannelse af kulsyre (H2CO3) og hydrogen-ioner (H+), mens lavt CO2 øger pH ved at fjerne hydrogen-ioner (processen mod venstre):
CO2 + H20 ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3–
Højt CO2-indhold ved intens nedbrydning af organisk stof i jordbunden, fremmer opløsning af kalk (CaCO3) under dannelse af calcium- og hydrogenkarbonat-ioner (processen mod højre). Ved lavt CO2-indhold og høj pH omdannes hydrogenkarbonat til karbonat-ioner, og kalken fælder ud på ny og frigør CO2 (processen mod venstre):
CaCO3 + CO2 + H2O ↔ Ca2+ + 2 HCO3–
Dannelse af organisk kulstof og kalk ved planternes fotosyntese (altså i lys) kan kobles sammen, og det er tilfældet i mange planter og alger i vand, som fælder kalk ved fotosyntesen (processen mod højre). I den modsatrettede proces forløber nedbrydning af organisk kulstof og opløsning af kalk samtidigt (processen mod venstre):
2 HCO3– + Ca2+ ↔ Org C (CH2O) + CaCO3 + O2
I artiklen har vi set på CO2 og calciumkarbonat. Der findes dog også jernkarbonat og blandet magnesium-calciumkarbonat mv. En anden vigtig proces er opløsning af aluminiumsilikater (lermineraler), som frigør enten kalium, natrium, calcium eller magnesium. Når lermineraler opløses (kemiske forvitring), forbruger de, i lighed med kalkopløsning, kulsyre og dermed CO2, og de danner opløst hydrogenkarbonat, kiselsyre og ovennævnte positive ioner.
Fra jordvand og grundvand til ferskvand
Jordvandet løber som overfladevand, drænvand og grundvand til vandløb, søer og havet. Vandet indeholder organisk kulstof i opløst form og som små partikler. Det indeholder også CO2, opløst hydrogenkarbonat og calcium samt andre opløste stoffer (for eksempel magnesium, kalium, natrium, nitrat, sulfat, klorid). Da danske jorde gennemgående er rige på kalk, bliver jordvand og ferskvand rigt på calcium og hydrogenkarbonat.
Jordbundsorganismernes respiration overmætter jordvandet og grundvandet med CO2 – typisk med en faktor 30, men med stor variation fra sted til sted. Når vandet fra land kommer i luftkontakt i vandløb og søer, afgasser CO2, indtil der indtræder en ligevægt med luftens CO2.
Er tilløbsvandet overmættet 30 gange, afgasser de 29 dele, inden ligevægt. I deres samlede længde er de danske vandløb gennemgående overmættede 5-30 gange, og de frigør meget CO2 til luften, da de i hele deres forløb modtager nyt overmættet vand fra land.
I kilder, hvor grundvandet træder frem, kan CO2-afgasningen være så intens, at vandet bruser, fordi der dannes gasbobler, som i en nyåbnet danskvand, når vandet mister sit overtryk fra jorden ved luftkontakt. Samtidigt udfælder kildekalk. I drypstenshuler med kontakt til den frie luft, mister det nedsivende vand på samme måde sit CO2-overtryk, der har holdt calciumkarbonat i opløsning, og nu fælder det ud i nedhængende stalaktitter fra loftet.
Hvad betyder tilførslen af organisk stof?
Organisk stof fra landjorden til vandløb og søer har tre mulige skæbner. Det kan aflejres på bunden af dem, det kan blive nedbrudt til CO2 og det kan blive ført videre til havet. I de korte danske vandløb, hvor vandet blot opholder sig fra timer til få dage, vil en stor andel af det organiske stof blive ført videre til søer og kystvande.
I naturligt slyngede vandløb, som tidligere prægede det danske landskab, var vandet ret stillestående i bagvandet i sving på vandløbet. Her kunne organiske partikler aflejres, svingene afsnøres som en lille sø, der voksede og blev til nyt land. Man kan i dag se det organiske stof fra afsnørede sving, som mørke skygger i jorden.
Men i dag er de fleste danske vandløb udrettede og lagt i kanaler, og de tilbageholder ikke meget organisk kulstof. Det organiske kulstof fra land bliver i større omfang nedbrudt til CO2. Vandløbene frigør meget CO2 til luften – dels CO2 i det tilførte jordvand og grundvand, og dels CO2, der bliver frigjort ved nedbrydning af det organiske stof fra land.
I Pøleå, et 30 km langt vandløb i Nordsjælland, fandt vi, at tre-fjerdedele af den frigjorte CO2 til luften stammede fra opløst CO2 tilført med vandet fra landjorden, mens den sidste fjerdedel stammede fra nedbrydning af det tilførte organisk stof. Derved leverer vandløbene en del af gælden af CO2 og organisk kulstof fra landjorden tilbage til luften.
I intensivt dyrkede områder med udspredning af svinegylle kan gælden og afgasningen fra vandløbet til luften være særlig stor, fordi der tilføres ekstra meget organisk kulstof. På steder, hvor vandet om sommeren løber langsomt, kan organisk kulstof danne en mudderbund. Nede i mudderet kan ilten bruges op, mens omsætningen fortsætter og danner methan.
Vi har undersøgt 15 lokaliteter i Odense Å og på to med blød bund, blev der om sommeren dannet methan. Over hele året var frigivelsen af methan fra vandløbet til luften blot 1 % af CO2-frigivelsen, fordi vandet strømmede og var iltrigt. Vi skal til damme og næringsrige søer med stillestående, iltfattigt vand over bunden for at møde større methan-frigivelse.
Kulstof i Arresø
Arresø er meget forurenet og har mange alger og uklart vand. Men efter perioden 1989-1998 faldt fosfortilførslen markant pga. effektiv spildevandsrensning. Selv om algemængden fortsat er stor, bliver pH i vandet ved sommerens fotosyntese nu blot op til 9 mod tidligere 10. Ved så høj pH er vandet undermættet med CO2. Derfor optager søen på årsbasis CO2 fra luften og udfælder kalk (CaCO3); de to processer driver algernes nettoproduktion af organisk stof og dermed også eksporten af alger via udløbet til Roskilde Fjord.
I perioden 1989-1998 var Arresøs årlige netto CO2-optagelse fra luften og netto CO2-frigivelsen ved kalkudfældningen til algernes produktion samt eksporten af alger fra søen markant højere end den er nu om dage (se figuren). Overskuddet fra algeproduktionen i forhold til eksporten udfældes på søbunden; en del af kalken eksporteres dog med udløbet.
Hvad sker der i søer?
I søer tilføres meget mindre vand fra land i forhold til overfladearealet end i vandløbene. Vandet i en mølledam udskiftes på måske et par dage, men i langt de fleste søer udskiftes vandet over måneder og år. I den store lavvandede Arresø udskiftes vandet således på 2-3 år, mens det varer 10 år i den dybe Furesø.
Når vandet udskiftes så langsomt, har tilførslen af organisk kulstof og overmættet CO2 selvfølgelig meget mindre effekt på CO2-balancen med luften end i vandløbene. Et par tal illustrerer forskellen: Per kvadratmeter afgasser vandløbet typisk 2000 g CO2-kulstof om året, mens tabet fra damme og søer ofte er mellem 10 og 100 gange mindre, altså 20 til 200 g CO2-kulstof (se figur 1). Tabet er størst i små søer, som har en stor omkreds i kontakt med land i forhold til vandfladens areal, og dermed får de tilført relativt mere organisk stof per kvadratmeter vandflade end store søer.
I små søer er bunden ofte mudret, så her dannes og frigøres en del methan, især ved høje sommertemperaturer, når bakterierne er mest aktive. Sådanne steder har vi målt en årlig methan-frigivelse op mod 60 g kulstof per kvadratmeter.
Tilførslen af organisk kulstof udefra bidrager endvidere til aflejringer på bunden. Aflejringerne når årligt op på 200 g kulstof per kvadratmeter, når de er størst. Derved kan bunden på et år i en lille sø vokse 1 cm i tykkelse. En 1 m dyb sø kan på blot 100 år blive fyldt op og blive til tørt land. Undervejs fjernes organisk kulstof fra kredsløbet og frigivelse af klimagasser stopper.
I større næringsrige søer
I landets største sø, Arresø er næringsrigdommen høj, og søvandet er mørkegrønt af mikroskopiske alger! For at opnå en så høj primærproduktion kræves CO2 udefra. Om sommeren får algernes primærproduktion pH til at stige. I ligevægt med luften er søvandets pH i Arresø omkring 8, men når produktionen er intens, fjerner algerne næsten alt CO2 (og dermed kulsyre) fra vandet, og pH stiger til omkring 10.
Det er dramatisk, fordi CO2-indholdet ved pH 10 er 100 gange undermættet, og søvandet optager CO2 fra luften. Endvidere, ved pH 10 omdannes hydrogenkarbonat til karbonat, så der udfælder fine krystaller af calciumkarbonat i vandet. Den proces, der tidligere opløste kalk i jorden under CO2 forbrug, løber altså her i søen den modsatte vej, udfælder kalk og frigør CO2 til algernes produktion (se faktaboks).
Mikroalgerne udnytter om sommeren CO2 fra tre kilder: 1) organismers respiration, 2) optagelse fra luften og 3) frigivelse ved kalkdannelse. Kalkkrystaller dannes og synker til bunds ved høj pH (over 9) og skaber de kalksedimenter, der findes i flertallet af danske søer (figur 2). Mange undervandsplanter udfælder også kalk på bladene ved fotosyntesen. Efterår og vinter nedbryder bakterier de mange døde alger og vandplanter, og bakteriernes respiration frigør CO2, så vandet bliver overmættet, og pH falder under 8. Nu puster søen CO2 ud i atmosfæren.
Set over hele året optager den meget næringsrige sø ofte mere CO2 fra luften, end den frigiver, og sammen med CO2 fra kalkudfældning og organisk stof tilført udefra opnår den et overskud af organisk kulstof. Overskuddet aflejres dels på bunden, dels eksporteres den grønne algesuppe med udløbet fra søen. Er søerne omvendt mindre næringsrige end Arresø, og det er de fleste søer, frigør de årligt mere CO2 til luften, end de optager.
I Arresøs tilfælde løber algesuppen fra udløbet til Roskilde Fjord. Her vil det meste organiske stof blive nedbrudt, og CO2 frigjort til luften. I fjordene og i havet fortsætter omdannelsen af hydrogenkarbonat til kalk over lange tidsrum. Da havet dækker et meget større areal end søerne, er havets kalkaflejringer mange gange større end søernes. Kalk aflejres af talrige organismer: på overfladen af encellede kalkalger og kalkrødalger, som skaller hos foraminiferer, mosdyr, snegle, muslinger, søpindsvin og i kalkrørsorme og korallers kalkskelet.
Det store billede
Ved kalkdannelsen vender CO2, tidligere optaget fra luften over land, tilbage til luften over søerne og havet. Kalken skubbes efter mange millioner år til jordens overflade i kalkklipper og i kalkklinter på Stevns, Møn og i Nordjylland fra Kridttiden eller meget ældre kalkaflejringer på Øland og Gotland (figur 4 og 5). Men, der eksisterer ikke en fin afstemt tidsbalance, og atmosfærens CO2-indhold har varieret voldsomt over årmillionerne.
Et tidsscenarie: Falder havniveauet og skaber nyt tørt land med vegetation, trækker øget opløsning af kalk (og lermineraler) i jorderne CO2 ud af atmosfæren. Et andet tidsscenarie: Tilføres jorderne salpetersyre eller svovlsyre med nedbøren eller jordprocesser, vil syrerne opløse kalken og danne calcium og hydrogenkarbonat uden at forbruge CO2. Når calcium og hydrogenkarbonat gendanner kalk i havet, frigøres CO2 til atmosfæren.
Endelig fører menneskets afbrænding af kul, olie og gas til markante og hurtige stigninger i atmosfærens CO2-indhold. Her er der heller ikke tidsmæssig balance, men det er en anden og længere historie. ♦
Om forfatterne
Kaj SandJensen er professor i ferskvandsøkologi ved Biologisk Institut, Københavns Universitet. Forfatter til bøger om biodiversitet, Danmarks natur, planters evolution, almen økologi og ferskvandsøkologi. ksandjensen@bio.ku.dk
Jonas Stage Sø er postdoc ved Biologisk Institut, Syddansk Universitet. I sin forskning undersøger han methan og CO2-frigivelse fra ferske vande samt deres lagring af kulstof ved sedimentation. Jonas er fokuseret på kulstofbudgetter i søer og damme, og hvordan de spiller en aktiv rolle i klimadebatten. jonassoe@biology.sdu.dk
Theis Kragh er lektor i ferskvandsøkologi ved Biologisk Institut, Syddansk Universitet. Han forsker i kulstof og fosforomsætning i søer samt fiskeøkologi. tkragh@biology.sdu.dk
Forskningen er støttet af bevillinger fra Det Frie Forskningråd og Aage V. Jensens Natufond.
Videre læsning
Berner KB & Berner RA 1996. Global Environment. Simon & Schuster.
Gaillardet J et al. 2012. Global climate control on carbonate weathering intensity. www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0009254118302298.
Many G et al. 2024. Calcite precipitation: the forgotten piece of lakes’ carbon cycle. Science Advances 10: 30 Oct.
Olsen BW et al. 2025. Environmental drivers of hourly and seasonal fluxes of methane and carbon dioxide across a lowland stream network with mixed catchment. Biogeochemistry 168, number 14.
Sand-Jensen K et al. 2021. Large pools and fluxes of carbon, calcium and phosphorus in dense charophyte stands in ponds. Science of the Total Environment 765: 142792.
Sand-Jensen K et al. 2022. Stream-lake connectivity is an important control of fluvial CO2 concentrations and emissions in catchments. Earth and Space Science: 23 November 2022.
Sand-Jensen K & Staehr PA 2012. CO2 dynamics along Danish lowland streams: water-air gradients, piston velocities and evasion rates. Biogeochemistry 111: 615-628.
Sø JS et al. 2024. Hourly methane and carbon dioxide fluxes from temperate ponds. Biogeochemistry 167:177-195.
Sand-Jensen K, Sø JS & Kristensen E.: Kalken i naturens processer. Aktuel Naturvidenskab 1-2021.
Intropakke
Tilbud til nye abonnenter:
Bestil en intropakke med otte helt nye numre plus abonnement i et år (6 numre) for kun 354,- kr. inkl. porto & ekspedition. Bestil via: abonnementssiden.