Nitraatafbraak en de rol van de ondergrond

Op zandgronden komen vaak hoge nitraatconcentraties in het bovenste grondwater voor. Een deel van het uitspoelend nitraat wordt onderweg naar het grondwater afgebroken door bepaalde bacteriën. Dit proces heet denitrificatie. Rond organisch rijke locaties in zandgronden is het bodemleven actiever en vindt er meer uitwisseling plaats van mineralen die deze denitrificatie bevorderen. De nitraatafbrekende bacteriën gedijen het beste onder zuurstofloze omstandigheden. Daarbij gebruiken ze koolstofrijk organisch materiaal als energiebron en zetten ze nitraat om in stikstofgas. Een groot deel van de nitraatafbraak vindt plaats in de organisch rijke toplaag. De rol van organisch materiaal in het denitrificatieproces lager in de ondergrond is minder bestudeerd. Rond- en onder de grondwaterstand bevat de bodem weinig tot geen zuurstof. Dit zijn goede omstandigheden voor bacteriën die nitraat afbreken indien er voor deze bacteriën geschikt organisch materiaal beschikbaar is. Het RIVM onderzocht daarom de rol van organisch materiaal rond de grondwaterstand* op de nitraatconcentraties. Dit werd gedaan aan de hand van de bodemprofielbeschrijvingen die monsternemers altijd maken als onderdeel van de bemonsteringsprocedure binnen het Landelijke Meetnet effecten Mestbeleid (LMM Landelijk Meetnet effecten Mestbeleid (Landelijk Meetnet effecten Mestbeleid)).

Een gemiddeld bodemprofiel in de zandregio

Voordat de veldmedewerkers van het LMM op een agrarisch bedrijf een grondwatermonster nemen, wordt een grondboring van zo een á twee meter diep gemaakt om bij het grondwater te komen. Hierbij maakt de veldwerker een visuele beschrijving van de bodemlagen die hij aantreft. De beschrijving wordt volgenseen gestandaardiseerd veldwerkprotocol opgesteld. Het hoofdmateriaal, de diepte, kleur, textuur, grindigheid, humeusheid en overige bijzonderheden van de bodem worden beschreven. Wanneer men deze bodemprofielbeschrijvingen van verschillende locaties in de zandregio op een rij zet dan zou dit er gemiddeld als volgt uitzien (figuur 1): Op de meeste bedrijven zou grofweg de eerste 50 cm zwak- of matig humeus zand zijn, wat betekent dat er weinig organisch materiaal in deze eerste bodemlaag zit. In de volgende meter zou men een zandlaag aantreffen met geen of nauwelijks organisch materiaal. Op ongeveer 150 cm onder maaiveld komt men in een gemiddeld jaar het grondwater tegen in de zomer. In de winter staat het grondwater in de zandregio gemiddeld ongeveer 40 cm hoger dan in de zomer.

Figuur 1: Een dwarsdoorsnede van de Nederlandse landbouwbodem tot een diepte van 200 cm vanaf maaiveld  in de zandregio aan de hand van meer dan 9000 bodemprofielbeschrijvingen op permanent grasland.. De kleur geeft het materiaal aan en hoe organisch rijk dit materiaal is. De blauwe lijn geeft de gemiddelde zomergrondstand aan voor deze locaties. De gestippelde blauwe lijn geeft de gemiddelde grondwaterstand in de winter aan.

Variatie in nitraatconcentraties binnen de zandregio verklaard

Wanneer de nitraatconcentraties in het grondwater op locaties met een verschil in humeusheid (organisch materiaalgehalte) met elkaar worden vergeleken, dan verwachten we minder nitraat aan te treffen op plekken met meer organisch materiaal rond de grondwaterstand*. Deze aanname is door het RIVM getest op zandgronden met permanent grasland aan de hand van nitraatveldmetingen in de periode van 2011 tot 2019 (figuur 2).
Locaties waar een kleilaag is aangetroffen zijn apart genomen van de andere locaties. Dit omdat kleilagen slecht doorlaatbaar zijn en de grondwaterkwaliteit daar dus minder beïnvloed wordt door de landbouwpraktijk van de agrariër. Op de overige locaties is de gemiddelde nitraatconcentratie berekend waarbij de laag met het meest organische materiaal rond de grondwaterspiegel is weergegeven. Van laag naar hoog organisch gehalte zijn de volgende versimpelde beschrijvingen mogelijk: zand niet humeus, zand zwak humeus, zand sterk humeus, veen sterk zandig/kleiig, veen zwak zandig/kleiig, en veen mineraalarm. Figuur 2 laat zien dat de invloed van organisch materiaal rond de grondwaterstand inderdaad groot is: hoe hoger het organische materiaalgehalte hoe minder nitraat in het grondwater wordt aangetroffen. Zo zijn de nitraatconcentraties in grondwater rond een zandlaag die sterk humeus is twee keer zo laag als rond een organisch materiaal arme zandlaag.

Figuur 2: op de y-as de gemiddelde nitraatzomerconcentratie op locaties in de zandregio met 4-jaar opeenvolgend grasland in de periode van 2011-2019. Op de x-as locaties met een kleilaag (helemaal links) en beschrijvingen van de meest organisch rijke laag rond de grondwaterstand op locatie (met kleur aangegeven). De foutbalk geeft aan hoe groot de variatie rond het gemiddelde is. De gebruikte variatiemaat is de standaarderror of standaardfout. n =  geeft het aantal meetlocaties aan. (…) geeft het aantal bedrijven aan waar gemeten is. Het witte label met blauwe tekst geeft aan wat de gemiddelde grondwaterstand en de standaarderror is op locatie.

De resultaten in perspectief geplaatst

Het is al langer bekend dat bodemorganische stof in de toplaag een belangrijke rol speelt in de landbouwpraktijk. Bodemorganische stof voedt het bodemleven en verbeterd de bodemstructuur en draagt ook bij aan een reductie van de nitraatuitspoeling naar het grondwater. Concentraties organisch materiaal in de ondergrond zijn minder direct gerelateerd aan de landbouwpraktijk. Toch blijkt ook het organisch materiaal op grotere diepte invloed op de nitraatconcentraties van het bovenste grondwater te hebben, vooral wanneer het organisch materiaal een deel van het jaar onder water staat waardoor zuurstofarme omstandigheden ontstaan. De combinatie van zuurstofarme omstandigheden met organisch koolstofrijk materiaal zorgt ervoor dat het proces van denitrificatie sneller verloopt en er minder nitraat in het grondwater terecht komt. 

Dit onderzoek is gedaan voor permanente graslanden. Over het algemeen zijn de concentraties op deze graslanden laag en veelal binnen de nitraatnorm van 50 mg/L milligram per liter (milligram per liter). Een herhaling van dit onderzoek voor metingen onder maïspercelen is in de maak. De eerste resultaten laten grotere absolute verschillen tussen bodemprofielen onder maïs zien omdat er simpelweg meer nitraat is om af te breken. Deze uitkomsten kan men doortrekken naar een theoretisch gedachte-experiment. Stel dat een agrarisch ondernemer een uitspoelingsgevoelig gewas op het ene perceel en een niet-uitspoelingsgevoelig gewas op het andere perceel gaat telen. Het ene perceel is homogeen zand tot grondwater en het andere (even grote) perceel heeft een organisch rijkere laag rond de grondwaterstand. Dan zou de ondernemer een lagere bedrijfsgemiddelde nitraatuitspoeling naar het grondwater hebben wanneer het niet-uitspoelingsgevoelige gewas op de zandgrond-, en het uitspoelingsgevoelige gewas op het perceel met een organisch rijke laag geteeld wordt.
 Met de toenemende droogte dalen de grondwaterstanden, waardoor een kleiner deel van de ondergrond zuurstofarm of -loos is. Dit betekent dat bacteriën minder goed nitraat kunnen afbreken door minder organisch materiaal in zuurstofarme bodemlagen. Daarnaast breekt organisch materiaal ook nog eens af onder zuurstofrijke omstandigheden. Dit draagt verder bij aan de verklaring van de stijgende nitraatconcentraties in de zandregio in de afgelopen droge jaren.

De variatie in rijkheid van organisch materiaal in de ondergrond rond de grondwaterstand verklaart voor een deel variatie in nitraatconcentratie tussen bedrijven, maar ook tussen percelen op een bedrijf. Dit is zeker niet de enige verklarende factor. Andere bekende factoren zijn stikstofbodemoverschot, grondsoort, grondwaterstand, neerslagoverschot, bodemgebruik, type mest, hoeveelheid mest en het moment van toepassing. Met behulp van data op een lager schaalniveau van deze invloedrijke factoren/processen, kunnen we beter lokale verschillen in nitraatconcentraties verklaren.

LMM e-nieuws, oktober 2021