J.W. van Groenigen, d.d. 30 september 2009
1. Probleemanalyse
Binnen het meetdiepteonderzoek worden metingen in het grondwater verricht om mogelijke
denitrificatie aan te tonen op grotere diepte. Dit gebeurt vooral door het meten van nitraatconcentraties, chemische en fysische karakterisering van de profielen en het vaststellen van potentiële denitrificatie. Een afname van nitraatconcentraties op grotere diepte hoeft echter niet automatisch te duiden op denitrificatie. Omgekeerd hoeft een gelijkblijvende concentratie niet automatisch te wijzen op het ontbreken van denitrificatie. Twee voorbeelden:
1. intensivering van (kunst)mestgebruik in het verleden kan verantwoordelijk zijn voor een front van nitraat in de bodem. Zo'n front zou onterecht geïdentificeerd kunnen worden als een zone met sterke denitrificatie, omdat de concentratie daar sterk afneemt;
2. daarnaast kan door grondwaterstromingen menging met water met een andere nitraatconcentratie optreden, waardoor zowel de nitraatconcentratie kan stijgen of dalen zonder dat er denitrificatie optreedt.
2. Isotopenanalyse
Het voordeel van isotopenanalyse, in het bijzonder δ15N en δ18O-analyse van nitraat, is dat het fysische processen kan scheiden van biochemische processen. Wageningen Universiteit heeft veel ervaring met het gebruik van isotopentracing van de stikstofcyclus, en loopt momenteel voorop in de analyse van
18O in deze cyclus (bijvoorbeeld Kool et al., 2007).
In dit geval betekent dit dat denitrificatie gescheiden kan worden van de menging en frontprocessen die hierboven zijn genoemd. Terwijl verdunning van nitraat niet zal leiden tot een verandering van het isotopensignaal, zal denitrificatie leiden tot een sterke verhoging van zowel het δ15N als het δ18O-signaal in nitraat. De simultane verrijking van 15N en 18O (in een ratio van ongeveer 1,8) sluit andere
verliesroutes van N uit (Otero et al., 2009). Bovendien moet er bij denitrificatie een negatieve logaritmische relatie tussen nitraat concentratie enerzijds en δ15N en δ18O anderzijds worden
waargenomen. Als deze twee trends gemeten worden in samenhang met een afnemende
nitraatconcentratie, kan worden geconcludeerd dat er inderdaad actieve denitrificatie optreedt in het profiel.
Er zijn geen ISO/NEN-voorschriften voor deze methode, maar deze methode is in de
wetenschappelijke literatuur zeer breed verspreid om aan te tonen dat denitrificatie optreedt. Een afname van nitraatconcentratie in het bodemvocht zal veel sneller als denitrificatie worden herkend (in plaats van bijvoorbeeld verdunning) als dit samengaat met een stijging in het 15N en 18O-signaal.
Als denitrificatie optreedt, zal het isotopensignaal altijd veranderen. De omstandigheden in het veld zijn ook van invloed. Met name als er sprake is van laterale aanvoer van grotere hoeveelheden nitraat met een heel ander isotopensignaal in het grondwater, of als het isotopensignaal van de toegediende mest sterk is veranderd in afgelopen jaren, zou dit een probleem kunnen zijn. Maar dit is niet waarschijnlijk, vooral niet als er geen grote veranderingen in management zijn opgetreden in de
afgelopen jaren, en als de locatie zich niet in een hydrogeologisch overgangsgebied bevindt. Deze laatste voorwaarden zullen de keuze voor geschikte locaties ook gemakkelijker maken.
3. Een indicatieve begroting
Om een goed beeld te krijgen van de trends in nitraatisotopensamenstelling is één meting per jaar per locatie voldoende. Die meting moet dan op verschillende dieptes in het bodemprofiel plaatsvinden. Bovendien is het, vanwege de relatieve complexiteit van de methode, belangrijk om alle analyses in duplo uit te voeren. Uitgaande van vijf dieptes, zijn er tien analyses per locatie per jaar nodig. De bepaling kunnen zowel in grondwatermonsters als in bodemvochtmonsters worden uitgevoerd (eventueel in combinatie met de monsters voor potentiële denitrificatie). Grondwatermonsters hebben echter de voorkeur. De bepaling van het δ15N en δ18O-signaal van nitraat kan aan de University of California in Davis plaatsvinden via de zogenaamde „denitrifier method‟ (Casciotti et al., 2002; Rock and Ellertt, 2007). De kosten hiervoor zijn $25 voor elke analyse, dus $50 (ongeveer € 40) voor beide analyses aan één monster. De verzendkosten zijn laag omdat de monsters klein zijn.
Voor elk monster dat voor isotopenanalyse wordt aangeboden, moet de nitraatconcentratie bekend zijn. Dit kan worden gecombineerd met de reguliere nitraatanalyses binnen het project. Zo niet, dan kan de nitraat concentratie geanalyseerd worden op het bodemchemisch lab van WUR ad € 14 per monster. De totale kosten per jaar voor een locatie zijn dus EUR 400 per jaar exclusief nitraatanalyses, en € 540 inclusief nitraatanalyses. Bovendien moet rekening worden gehouden met monstername en
monstervoorbereidingskosten. Dit zal ongeveer één mandag per locatie per jaar extra betekenen. De technieken voor monstername zijn heel simpel. Er hoeven maar enkele tientallen milliliters bemonsterd worden, en dit kan gewoon met onderdruk. De monsters moeten koel bewaard worden in aanwezigheid van een anorganisch biocided (bij voorkeur kwikchloride) tot analyse.
Voorgesteld wordt om deze methode toe te passen op locaties in infiltratiegebieden. Op deze locaties zouden jaarlijks de isotopensamenstelling van het stikstof en zuurstof in het grondwater moeten worden bepaald, zodat de verandering in de tijd inzichtelijk worden (veranderingen in de tijd kunnen ook een indicatie zijn voor denitrificatie).
Literatuur
Casciotti, K.L., Sigman, D.M., Galanter Hastings, M., Bohlke, J.K., Hilkert, A. (2002) Measurement of the oxygen isotopic composition of nitrate in seawater and freshwater using the denitrifier method. Analytical Chemistry 74, 4905-4912.
Kool, D.M., Wrage, N., Oenema, O., Dolfing, J., Van Groenigen, J.W. (2007) Oxygen exchange between (de)nitrification intermediates and H2O and its implications for source determination of N2O and NO3-: a review. Rapid Communications in Mass Spectrometry 21, 3569-3578. Mayer, B., Boyer, E.W., Goodale, C.L., Jaworski, N.A., Van Breemen, N., Howarth, R.W., Seitzinger,
S.P., Billen, G., Lajtha, K., Nadelhoffer, K.J., Van Dam, D., Hetling, L.J., Nosal, M., Paustian, K. (2002) Sources of nitrate in rivers draining sixteen watersheds in the northeastern U.S.: Isotopic constraints. Biogeochemistry 57/58, 171-197.
Otero, N. Torento, C., Soler, A., Mencio, A., Mas-Pla, J. (2009) Monitoring groundwater nitrate attentuation in a regional system coupling hydrogeology with multi-isotopic methods: The case of Plana de Vic (Osona, Spain). Agriculture, Ecosystems and Environment 133, 103-113. Rock, L., Ellert, B.H. (2007) Nitrogen-15 and oxygen-18 natural abundance of potassium chloride
extractable soil nitrate using the denitrifier method. Soil Science Society of America Journal 71, 355-361.