Figuur 4.15: Correlatie tussen denitrificatie en biomassa kruidlaag (Pinay, 2007)
Alhoewel vaak gesteld wordt dat lage temperaturen denitrificatie inhibeert, werd er zowel bij lage als bij hoge temperatuur een aanzienlijke denitrificatie gemeten (Figuur 4.16). Dit bimodale patroon doet vermoeden dat er aangepaste microbiële gemeenschappen onstaan met elk hun optimum op een verschillende temperatuur ( resp. 5° C en 15° C).
Figuur 4.16: Correlatie tussen denitrificatie en temperatuur (Pinay, 2007)
Uit de ranking van de voorspellende variabelen kan men concluderen dat vooral bodemvochtigheid de belangrijkste voorspeller is van denitrificatie, met in de tweede plaats temperatuur en nitraatbeschikbaarheid. Het blijft ambigu dat net het nitraatgehalte een voorspeller is van de denitrificatie en dat een goede denitrificatie voorspeld wordt door lage nitraatwaarden in de bodems. Dit zegt dus niets over de Nitraat turn-over in de bodem. Wel kunnen we stellen dat in bodems met een laag nitraatgehalte, nitrificatie (nitraat input) en denitrificatie in evenwicht zijn. Met name kan er in een bodem met lage nitraatgehalten toch een intense N-processing zijn (zowel hoge nitrificatie als denitrificatie), maar met een lage aanrijking tot gevolg (NO3- aanrijking). Dit betekent ook dat een inschatting van de nitraatbelasting meer kan zeggen dat de eigenlijke nitraat concentraties ter plaatse, aangezien deze al voor een groot deel gedenitrificeerd kunnen zijn.
Denitrificatie in beekbegeleidende ecosystemen (oeverzones,
moerassen)
Burt (2005) geeft aan hoe er verschillen kunnen optreden in verblijftijden ifv de hydro-topologische gradiënt (Figuur 4.17). Bovenlopen hebben doorgaans een hoge drainage capaciteit en dus een korte
verblijftijd in de alluviale vlakte (Pinay, Clement et al. 2002). De relatieve verwijdering van nitraat in een oeverzone wordt bepaald door de breedte van de oeverzone, die evenwel in verhouding moet zijn met de nuttige zone voor denitrificatie (grondwaterstanden), de nitraatbelasting vanuit hoger gelegen gronden en de hydrologische belasting (verblijftijd). De hydrologische verblijftijd wordt grotendeels bepaald door de hydro-topologie (Burt and Pinay 2005).
Figuur 4.17: De effecten van valleimorfologie op grondwater en denitrificatie (Burt, 2005)
De impact van drainage op de vallei hydrologie heeft tot gevolg dat de actieve zone voor denitrificatie verkleint én de verblijftijden in die actieve zones beperkt worden (Figuur 4.1).
Figuur 4.18: Effecten van drainagesystemen zoals grachten en drainagebuizen op de denitrifcatie-capaciteit van valleisystemen (Burt, 2005).
Figuur 4.18 illustreert de invloed van drainagesystemen op denitrificatie. In natuurlijke systemen is er een brede zone van ondiep grondwater (< 50 cm). Bij dergelijke systemen is er een zone van actieve denitrificatie en een zone van potentiële denitrificatie. De zone van potentiële denitrificatie wordt gekenmerkt door een nitraatgelimiteerde vegetatie. De actieve zone heeft het nitraat surplus grotendeels weggezuiverd. Pieken in nitraatuitspoeling kunnen ondervangen worden door de potentiële. Leigrachten en andere drainagesystemen vangen het nitraatrijke water af en voeren het rechtsstreeks naar de rivier. Met het verlagen van de grondwaterstand in de vallei en het verlagen van de drainage basis van de rivier, wordt denitrificatie beperkt in oppervlakte en intensiteit (actieve zone verkleint). Indien de oeverzone onvoldoende breed is en/of gedraineerd wordt, kan niet alle nitraat verwijderd worden en krijgt men een meer variabel denitrificatie patroon.
Echte kengetallen voor nitraatverwijdering uit grondwater in oeverzones zijn vrijwel niet te vinden. Dit is logisch omdat de kengetallen een functie zijn van hydraulische verblijftijd, grondwaterpeil en nitraatbelasting. Deze zijn allen zeer variabel in de tijd en enkel oeverzones met voldoende reserve (breedte) zullen 100 % denitrificeren. De kritische breedte van de oeverzone zal dus afhangen dezelfde variabelen (hydraulische verblijftijd, grondwaterpeil en nitraatbelasting). Een brede effectieve
(waterverzadigde) oeverzone duidt op een lage drainage, waarbij er zelfs bij sterk doorlatende bodemtypen er een lange verblijftijd van het grondwater kan zijn.
De verstoring van de waterhuishouding (Degans, Kellens et al. 2007) en meer bepaald de versnelde afvoer van water door drainage zal ongetwijfeld een effect hebben op de waterkwaliteit door een verlies aan verblijftijd. Behrendt and Opitz (1999) ontwikkelden een statistisch model op basis van gegevens van een honderdtal bekkens. Door waterretentie op bekken schaal kan een aanzienlijke nitraatretentie bereikt worden. De input van nitraat uit het bovenstroomse gebied is tevens steeds meer extreem en tijdelijk geworden (Pinay, Clement et al. 2002). Het uitlogen van nutriënten uit akkerland is meer neerslaggevoelig, dan voor graslanden en bossen. De natuurlijke gradiënten worden doorbroken door menselijke interacties (lozingen, bemesting). Dit maakt het zeer moeilijk om bvb oeverzones te bemeten, te modelleren en te extrapoleren. Met name kan er op het ene moment een nitraat-limitatie zijn en op een ander moment een overbelasting, waardoor de totale efficiëntie van de oeverzone daalt.
3.6. Cyclering van fosfor
Fosfaat is wellicht een van de meest complexe elementen die er bestaan. Andere nutriënten (C, N) kunnen gemakkelijker verwijderd worden uit het watersysteem door hun hogere mobiliteit en de mogelijkheid tot gasvorming (CO2, N2O, NH3, N2, CH4) (Mitsch et al., 2000). Bij fosfaatretentie dient bemerkt te worden dat fosfaat van nature weinig mobiel is en er grote hoeveelheden P op natuurlijke wijze gefixeerd zitten in bodems. Het probleem van eutrofiëring door fosfaat is dan ook grotendeels te wijten aan de directe lozing van fosfaat in de waterlopen (industrie-huishoudens), door afspoeling (erosie) en door uitspoeling (fosfaatdoorslag) uit landbouwgrond. Fosfaatdoorslag komt voor wanneer er meer fosfaat wordt ingebracht via bemesting dan dat de bodem kan bufferen (Fe, Ca, Al). De buffercapaciteit van de bodem is sterk afhankelijk van samenstelling, textuur en de redoxcondities (bodem pH). Met name de aanwezigheid van ijzer, aluminium en calcium is belangrijk. Directe input van fosfaat is vooral te wijten aan lozingen en landerosie (fosfaat geadsorbeerd aan sedimenten). Ook kan een verandering van bodemhydrologie zorgen voor wijzigingen in bodem pH en aldus P vrijstellen naar het grondwater. Wel is P-in biomassa en P in organisch materiaal in bodems van belang voor de nutriëntencyclering en bodemvorming.De relevantie van P-rententie in biomassa is dan ook twijfelachtig. Er kan pas een baat toegeschreven worden indien:
• Er vermeden wordt dat P terechtkomt in het grond of oppervlaktewater.
• P verwijderd wordt uit het oppervlaktewater (macrofyten, bezinking en begraving)
P in bodems
De reacties die ten grondslag liggen van de fosfaatvrijstelling (opgelost fosfaat) zijn een combinatie van sorptie/desorptie (reductie-oxidatie) en het precipiteren/oplossen van mineralen (House, 2003). Bij vastlegging van P in de (water) bodem spelen ijzer, aluminium en calcium in de meer geoxideerde systemen een belangrijke rol (De Haan en Zwerman, 1978). Ook het gehalte aan organische stof is een belangrijke factor voor de opslag van P. Ijzer wordt als de meest belangrijkste factor beschouwd.
Aluminium en calcium worden meer belangrijk in relatief ijzerarme bodems. Het kleigehalte is meestal positief gecorreleerd met het ijzergehalte (De Haan en Zwerman, 1978). De beschikbare zuurstof in de waterbodem wordt verbruikt door aanwezige organismen zodat andere elektronen-acceptoren gebruikt worden in de reacties. Mangaan Mn(IV), ijzer Fe(III) en sulfaat SO4 zullen – indien aanwezig - sequentieel optreden als elektronen-acceptoren in reductiereactie. Zowel verdroging van natte systemen als vernatting van droge systemen leiden tot fosfaatvrijstelling omdat ze zorgen voor mineralisatie van organisch materiaal en/of wijzigingen in de redox-condities (Kemmers, 2007). Een organische rijke bodem bevat P-voorraden die door microbiële processen in de bodem op een geleidelijke en natuurlijke manier vrijgesteld worden als biologisch beschikbaar fosfaat. Het draineren van veenrijke bodems kan dus wel zorgen voor eutrofiëring, omdat er door mineralisatie veel P vrijkomt dat biologisch beschikbaar is voor de planten. Indien de planten dit onvoldoende kunnen opnemen zal het drainagewater fosfaatrijk zijn.
Daarnaast kan vernatting van voormalig droge systemen evenzeer tot fosfaatproblemen leiden. Fosfaat heeft onder anaërobe omstandigheden een ander adsorptiegedrag dan onder aërobe omstandigheden (Kemmers, 2007). En fosfaatbeschikbaarheid wordt sterk gereguleerd door allerhande redoxreacties die elkaar sterk beinvloeden. Ijzeroxiden spelen een belangrijke rol in de fosfaatbeschikbaarheid onder aërobe omstandigheden. Onder reducerende (anaërobe) omstandigheden lost ijzeroxide op, waardoor het gebonden fosfaat gemobiliseerd wordt. Vernatting van verdroogde (landbouw) - ecosystemen leidt in vele gevallen tot significante fosfaatvrijstelling, waarbij er zowel korte als langere termijn processen spelen. In de eerste plaats wordt driewaardig ijzer gereduceerd tot tweewaardig ijzer waardoor de adsorptiecapaciteit daalt. Dit is een omkeerbaar proces omdat onder aërobe omstandigheden terug ijzeroxiden gevormd worden. Tenslotte kan ook extra fosfaat worden vrijgesteld door reductie van sulfaten die aangevoerd worden met het oppervlaktewater. De aanwezigheid van sulfaat en ijzer onder anaërobe omstandigheden kan leiden tot een stabiele (onomkeerbare) verdere reductie van ijzer tot pyriet, waarbij de volledige adsorptiecapaciteit verloren gaat (Van Delft, 2005). De aanvoer/aanwezigheid van sulfaat kan dus de desorptie van fosfaat mogelijk verergeren. In bepaalde natte natuurgebieden wordt soms oppervlakkig pyriet aangetroffen. Dit pyriet ontstaat door de reductie van ijzer en sulfaat onder natte anaërobe omstandigheden, waardoor tevens fosfaat en nitraat vrijgesteld wordt. Dit treedt vooral op waar sulfaatrijk en ijzerrijke waterstromen in organisch rijke bodems met elkaar in contact komen. Vooral in kustgebonden ecosystemen zijn er van nature sulfaatrijke (kleiige) bodems. Dit proces leidt tot interne eutrofiëring omdat reductieprocessen pH verhogende reacties zijn en mineralisatie bevordert. Dit proces komt echter niet enkel voor in kustgebonden milieus. De belangrijkste oorzaak van pyrietvorming in niet kustgebonden ecosystemen is de sterk verhoogde aanvoer van sulfaat door atmosferische depositie en aanvoer via oppervlaktewater. Sulfaatreductie in de aanwezigheid van ijzeroxide-gebonden fosfaat leidt dus tot ontregeling van de stikstof, fosfaat en zuurhuishouding. Volgens sommige wetenschappers is de extra vrijstelling van fosfaat door sulfaattoevoer miniem in vergelijking met de hoeveelheden fosfaat die gemobiliseerd worden door ijzerreductie (Van Delft, 2005).