Tijdreizen met bodemchemie

Vroeg in de ochtend vertrekken we naar de overstromingsvlaktes, het land langs een rivier dat bij een overstroming onder water staat. Als alles goed verloopt, reizen we straks tienduizend jaar terug in de tijd. We meten de exacte locatie op, die bepalen we aan de hand van de afstand tot de rivier, de bodemopbouw en het landschap. De locatie is cruciaal zodat we juist kunnen dateren. We zoeken naar chemische sporen van de mens. Die sporen zijn geurloos, kleurloos en nu nog onzichtbaar. Enkel met het correct chemisch brouwsel kunnen we ze identificeren.

Bodem gaat terug in het verleden

Nu de locatie is bepaald, nemen we onze gutsboor, een half opengesneden stalen buis en laten hem in de zompige bodem onder onze voeten verdwijnen. Zo halen we de oude riviersedimenten naar boven, we gaan tot vijf meter diep. Dankzij dateringen van de bodemlaagjes met koolstofdateringen kunnen we de ouderdom bepalen. We nemen stalen om later in het lab te bestuderen. Daar zullen we chemische sporen zoeken die ons meer vertellen over de impact van de mens. Met de tijd heeft de rivier steeds een nieuw laagje sediment aangebracht. Als we vijf meter diep boren, keren we al tienduizend jaar terug in de tijd. Een tijd voordat de eerste mensen voet zetten in deze gebieden. Toen, net na de laatste ijstijd stond de Noordzee nog droog en was er een landschap met wilde rivieren en open graslanden waar mammoeten rondliepen. Daarna warmde de aarde verder op beboste het landschap zich, en vormde er een enorm aaneengesloten woud, totdat de mens kwam.

Chemische sporen van de mens, fosfor

Eén van de belangrijkste chemische sporen die me helpen om naar het verleden te reizen, is fosfor. Menselijke activiteit zorgt voor een verhoging van fosforconcentraties in de omgeving. Fosfor zit in onze uitwerpselen en die van ons vee, in botten, vlees, vis, planten en assen. Veel fosfor in de bodem verraadt dus mogelijk menselijke aanwezigheid.

Fosfor bindt goed aan andere bodemelementen, zoals ijzer en aluminium, waardoor de stof lang in de bodem bewaard blijft. Dat is voor mij als bodemonderzoeker (en tijdreiziger) een belangrijke eigenschap. Ik kan op basis van de fosforconcentratie in een bodemlaag van x aantal jaar oud achterhalen of en in welke mate er mensen in de buurt verbleven.

Fosfor is een essentieel element voor het leven, alle planten en dieren hebben het nodig; het zit in ons DNA en levert energie in onze cellen. Het is dus van nature aanwezig in het milieu. Je vindt het terug in de bodem, het oppervlaktewater en alle levende wezens. Daarnaast heeft het de interessante eigenschap om sterk te binden met bodempartikels, vooral ijzer en aluminium oxyhydroxiden. Dat zijn verbindingen met ijzer en zuurstof, in pure vorm hebben ze een roestkleur.

Bodemextractie en ouderdom bepalen

We bepalen de fosforconcentratie en de ouderdom van de bodemstalen, om zo een tijdreeks te maken. De analyse voor fosfor gebeurt in het lab, we mengen de bodemstalen met het chemisch brouwsel. Het zure brouwsel weekt fosfor los uit de bodemstalen zodat het in oplossing komt. De oplossing analyseren we met een speciaal toestel dat het staal zo sterk verhit dat het licht uitzendt en dat licht laat iets van de samenstelling zien. Zo kan een computer de lichtsterkte meten en het aantal fosfor deeltjes tellen.

Het toestel vernevelt de oplossing en stuurt die door een plasma zo heet als de oppervlakte van de zon. De hoge temperatuur verdampt al het water en ioniseert de elementen in het staal. Bij ionisatie verliest een atoom een elektron, hierdoor zendt het zichtbaar licht uit. Afhankelijk van het element, zal de golflengte of de kleur van het licht verschillen. De concentratie van het element bepaalt de intensiteit van het licht. Door nu exact de intensiteit van het licht te meten, op de golflengte van fosfor, kunnen we de concentratie zeer nauwkeurig te bepalen.

Om de ouderdom van het bodemstaal te bepalen gebruiken we koolstof-14 dateringen. In het bodemprofiel vinden we veenlaagjes terug. Die bestaan vooral uit koolstofrijk materiaal, afkomstig van plantenresten. Van nature is koolstof een klein beetje radioactief, de radioactieve variant van het koolstof atoom heeft atoommassa 14, vandaar de naam C-14. Kosmische stralingen die onze atmosfeer binnenkomen zorgen voor een constante aanmaak van C-14, dat zo in de lucht terechtkomt als CO₂. Planten nemen de radioactieve CO₂ op en bouwen het in hun weefsel. Als de planten sterven en bewaard blijven in veen kunnen we de radioactiviteit van die oude plantenresten meten. Doorheen de tijd neemt die radioactiviteit af met een constante waarde per tijdseenheid. Het verschil in radioactiviteit van de oude plantenresten en de activiteit van de atmosfeer geven ons de ouderdom van de plantenresten.

Menselijke activiteit en bodem fosfor

We leggen de fosforanalyses samen met de ouderdom, zo maken we een tijdslijn van de fosforconcentraties. De fosforconcentraties blijven constant bij de komst van de eerste mensen 7500 jaar geleden, die concentraties laten ons de natuurlijke achtergrond van fosfor zien. De eerste mensen leefden in kleine groepen als jager verzamelaar en hadden slechts een beperkte invloed op hun omgeving. Tijdens de Bronstijd en IJzertijd tussen 4000 en 2000 jaar geleden vestigden de eerste mensen zich permanent en startten met landbouw. 

Dan vinden we ook de eerste sporen met hogere fosforconcentraties terug, al blijft het effect nog beperkt. Wel vinden we een uitgesproken piek die samenvalt met de aanwezigheid van Romeinse nederzettingen. De Romeinen hadden een georganiseerd landbouwsysteem over grote oppervlaktes. Dit vinden we vandaag nog terug in de bodem. Rond het jaar 500 na Christus verlaten de Romeinen onze gebieden, daarmee neemt de fosfor ook snel terug af. Doorheen de Middeleeuwen, stijgt de menselijke activiteit terug en neemt ook de fosfor terug toe.

Toepassingen van bodemarchief

We vonden de chemische sporen van de mens terug in overstromingsvlaktes. Hieruit ontdekken we invloed van historische activiteiten op de waterkwaliteit in de rivieren van tienduizend jaar geleden tot nu. Grootschalige landbouw van de Romeinen had een duidelijke impact, vergelijkbaar met wat we vandaag terugvinden. De eerste landbouwnederzettingen hadden een beperkte invloed. In de toekomst kunnen we die bevindingen gebruiken om elders de menselijke activiteiten in kaart te brengen.

Fosfor in de bodem helpt ons niet alleen om terug te reizen in de tijd, het kan ons ook iets leren over de toekomst. Fosforconcentraties vertellen ons iets over de menselijke impact op een omgeving. Via fosfor-onderzoek kunnen we zo onder andere evalueren hoe we onze waterlopen duurzaam beheren.