20-40 cm, 40-80 en >= 80 cm.
Waarden van pHH2O en pHKCl zijn omgerekend naar bodemvocht pH om de vergelijking met de door VSD+ berekende pH mogelijk te maken.
De gegevens die gebruikt zijn voor de niet-landbouwgronden betreffen:
• 12 bosopstanden op niet-kalkhoudende zandgronden bemonsterd in 1992: dit betreft de humuslaag en de diepten van 0-10, 10-30 cm, 30-60 cm en 60-100 cm (De Vries et al., 1994). • 48 opstanden op niet-kalkhoudende zandgronden in het Nederlandse duingebied,
bemonsterd in 1991: dit betreft de diepten van 0-10 cm, 10-30 cm, 30-60 cm en 60-100 cm (De Vries, 1993; de Vries, niet-gepubliceerde gegevens) .
• 150 bosopstanden op niet-kalkhoudende zandgronden bemonsterd in 1990: de diepten van 0-30 cm (De Vries & Leeters, 2001).
• 200 bosopstanden op niet-kalkhoudende zandgronden bemonsterd in 1995: de humus- laag en de diepten van 0-10 cm (Leeters & de Vries, 2001).
• 100 bosopstanden bemonsterd tussen 1992 en 1993 in ongeveer 40 lössgronden, 30 klei- gronden en 30 veengronden: de diepten van 0-10 cm, 10-30 cm, 30-60 cm en 60-100 cm (Klap et al., 1999a).
• 63 bosopstanden in een gebied genaamd Drentse Aa, bemonsterd in 1994: 44 zandgron- den, 4 kleigronden en 15 veengronden; de minerale bovengrond met een diepte variërend van 0-10 cm en 0-30 cm (Klap et al., 1999b)
HARMONISATIE VAN DE BEPALING VAN DE BASENVERZADIGING BIJ PH 6.5
In alle gebruikte datasets voor niet-landbouwgronden werd de CEC-waarde gemeten bij de werkelijke (niet gebufferde) pH. Vooral in zure gronden (niet-kalkhoudende zandgronden en de meeste löss- en veengronden) betekent dit dat de basenbezetting gerelateerd is aan een CEC in het beperkte pH-bereik van de beschouwde gronden (voornamelijk tussen pH 3 en 5). De CEC is afhankelijk van het gehalte aan klei en organische stof en neemt toe met een toename van de pH. Dit komt vooral door de afgifte van protonen uit carboxylgroepen van organische stof. Deze protonen worden geadsorbeerd bij lagere pH maar worden bij hogere pH uitgewisseld tegen basische kationen. Om modelsimulaties tot hogere pH-waarden moge- lijk te maken, is het belangrijk een basenbezetting te gebruiken die verband houdt met een gebufferde CEC. Voorbeelden zijn een CEC gebufferd bij pH 6,5 (NH4 acetaat gebufferde CEC) of 8.2 (bariumchloride tri-ethanol amine gebufferde CEC). Met behulp van die extractiemid- delen neemt de uitwisselbare protonenfractie toe, terwijl de uitwisselbare fractie van alle andere kationen afneemt. Aangezien een pH van 6.5 een redelijke bovenwaarde is voor niet- kalkhoudende bodems, hebben we deze CEC gebruikt, en dat geldt ook de uitwisselingscon- stanten die gebruikt worden als invoer in het model VSD+ (De Vries & Posch, 2003).
Hoe groot het uitwisselcomplex is (de CEC) wordt voornamelijk bepaald door het kleigehalte en het organische-stofgehalte. Een manier om de CEC bij pH 6.5 te schatten is om de CEC af te leiden als functie van het klei- en organische-koolstofgehalte, rekening houdend met de invloed van pH volgens Helling et al. (1964):
KWR | Novermber 2020 Modellering effecten van klimaat en waterbeheer op de bodem-pH met de WWN 79
150 bosopstanden op niet-kalkhoudende zandgronden bemonsterd in 1990: de diepten van 0-30 cm (De Vries & Leeters, 2001).
200 bosopstanden op niet-kalkhoudende zandgronden bemonsterd in 1995: de humuslaag en de diepten van 0-10 cm (Leeters & de Vries, 2001).
100 bosopstanden bemonsterd tussen 1992 en 1993 in ongeveer 40 lössgronden, 30 kleigronden en 30 veengronden: de diepten van 0-10 cm, 10-30 cm, 30-60 cm en 60-100 cm (Klap et al., 1999a).
63 bosopstanden in een gebied genaamd Drentse Aa, bemonsterd in 1994: 44 zandgronden, 4 kleigronden en 15 veengronden; de minerale bovengrond met een diepte variërend van 0-10 cm en 0-30 cm (Klap et al., 1999b)
Harmonisatie van de bepaling van de basenverzadiging bij pH 6.5
In alle gebruikte datasets voor niet-landbouwgronden werd de CEC-waarde gemeten bij de werkelijke (niet gebufferde) pH. Vooral in zure gronden (niet-kalkhoudende zandgronden en de meeste löss- en veengronden) betekent dit dat de basenbezetting gerelateerd is aan een CEC in het beperkte pH-bereik van de beschouwde gronden (voornamelijk tussen pH 3 en 5). De CEC is afhankelijk van het gehalte aan klei en organische stof en neemt toe met een toename van de pH. Dit komt vooral door de afgifte van protonen uit carboxylgroepen van organische stof. Deze protonen worden geadsorbeerd bij lagere pH maar worden bij hogere pH uitgewisseld tegen basische kationen. Om modelsimulaties tot hogere pH-waarden mogelijk te maken, is het belangrijk een
basenbezetting te gebruiken die verband houdt met een gebufferde CEC. Voorbeelden zijn een CEC gebufferd bij
pH 6,5 (NH4 acetaat gebufferde CEC) of 8.2 (bariumchloride tri-ethanol amine gebufferde CEC). Met behulp van die
extractiemiddelen neemt de uitwisselbare protonenfractie toe, terwijl de uitwisselbare fractie van alle andere kationen afneemt. Aangezien een pH van 6.5 een redelijke bovenwaarde is voor niet-kalkhoudende bodems, hebben we deze CEC gebruikt, en dat geldt ook de uitwisselingsconstanten die gebruikt worden als invoer in het model VSD+ (De Vries & Posch, 2003).
Hoe groot het uitwisselcomplex is (de CEC) wordt voornamelijk bepaald door het kleigehalte en het organische- stofgehalte. Een manier om de CEC bij pH 6.5 te schatten is om de CEC af te leiden als functie van het klei- en organische-koolstofgehalte, rekening houdend met de invloed van pH volgens Helling et al. (1964):
CEC = (0.44 ⋅ pH + 3.0) ⋅ clay + (5.1 ⋅ pH − 5.9) ⋅ 𝐶𝐶org [16]
waarbij clay en Corg staan voor respectievelijk het klei- en organische-koolstofgehalte (beide in %) en de pH in deze
vergelijking zo dicht mogelijk bij de pH van de bodemoplossing moet liggen. Vergelijking [16] komt overeen met
Breeuwsma et al. (1986), die een lineair verband vond tussen de CEC gebufferd bij pH 6.5 (NH4 acetaat gebufferde
CEC) en het gehalte aan klei en organische stof, met een hellingscoëfficiënt van 5% voor klei en 30% voor organische koolstof.
Vergelijking [16] werd geëvalueerd met onze dataset van gemeten CEC-waarden voor de pH in de veldsituatie, in combinatie met gegevens over klei en organische koolstof. De resultaten vertoonden soms relatief grote verschillen. Daarom is de CEC bij pH 6.5 berekend volgens
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶updated(pH6.5)= 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶calculated(pH6.5)⋅ (𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶measured/𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶calculated(measuredpH)) [17]
Waarbij het CEC berekend is volgens Vergelijking [16]. Kalibratiemethode
Uitwisseling van basische kationen tegen H+ en Al3+ is een belangrijk buffermechanisme tegen bodemverzuring
(Bonten et al., 2016b). In de bodem worden H+ en Al3+ in het bodemvocht uitgewisseld tegen Ca, Mg en K die aan
het uitwisselcomplex zijn geadsorbeerd. De verhouding van H en Al aan het uitwisselcomplex enerzijds en Ca, Mg
[16] waarbij clay en Corg staan voor respectievelijk het klei- en organische-koolstofgehalte (beide in %) en de pH in deze vergelijking zo dicht mogelijk bij de pH van de bodemoplossing moet
72
STOWA 2020-39 MODELLERING VAN DE EFFECTEN VAN KLIMAAT EN WATERBEHEER OP DE BODEM-PH MET DE WATERWIJZER NATUUR
liggen. Vergelijking [16] komt overeen met Breeuwsma et al. (1986), die een lineair verband vond tussen de CEC gebufferd bij pH 6.5 (NH4 acetaat gebufferde CEC) en het gehalte aan klei en organische stof, met een hellingscoëfficiënt van 5% voor klei en 30% voor organische koolstof.
Vergelijking [16] werd geëvalueerd met onze dataset van gemeten CEC-waarden voor de pH in de veldsituatie, in combinatie met gegevens over klei en organische koolstof. De resultaten vertoonden soms relatief grote verschillen. Daarom is de CEC bij pH 6.5 berekend volgens
150 bosopstanden op niet-kalkhoudende zandgronden bemonsterd in 1990: de diepten van 0-30 cm (De Vries & Leeters, 2001).
200 bosopstanden op niet-kalkhoudende zandgronden bemonsterd in 1995: de humuslaag en de diepten van 0-10 cm (Leeters & de Vries, 2001).
100 bosopstanden bemonsterd tussen 1992 en 1993 in ongeveer 40 lössgronden, 30 kleigronden en 30 veengronden: de diepten van 0-10 cm, 10-30 cm, 30-60 cm en 60-100 cm (Klap et al., 1999a).
63 bosopstanden in een gebied genaamd Drentse Aa, bemonsterd in 1994: 44 zandgronden, 4 kleigronden en 15 veengronden; de minerale bovengrond met een diepte variërend van 0-10 cm en 0-30 cm (Klap et al., 1999b)
Harmonisatie van de bepaling van de basenverzadiging bij pH 6.5
In alle gebruikte datasets voor niet-landbouwgronden werd de CEC-waarde gemeten bij de werkelijke (niet gebufferde) pH. Vooral in zure gronden (niet-kalkhoudende zandgronden en de meeste löss- en veengronden) betekent dit dat de basenbezetting gerelateerd is aan een CEC in het beperkte pH-bereik van de beschouwde gronden (voornamelijk tussen pH 3 en 5). De CEC is afhankelijk van het gehalte aan klei en organische stof en neemt toe met een toename van de pH. Dit komt vooral door de afgifte van protonen uit carboxylgroepen van organische stof. Deze protonen worden geadsorbeerd bij lagere pH maar worden bij hogere pH uitgewisseld tegen basische kationen. Om modelsimulaties tot hogere pH-waarden mogelijk te maken, is het belangrijk een
basenbezetting te gebruiken die verband houdt met een gebufferde CEC. Voorbeelden zijn een CEC gebufferd bij
pH 6,5 (NH4 acetaat gebufferde CEC) of 8.2 (bariumchloride tri-ethanol amine gebufferde CEC). Met behulp van die
extractiemiddelen neemt de uitwisselbare protonenfractie toe, terwijl de uitwisselbare fractie van alle andere kationen afneemt. Aangezien een pH van 6.5 een redelijke bovenwaarde is voor niet-kalkhoudende bodems, hebben we deze CEC gebruikt, en dat geldt ook de uitwisselingsconstanten die gebruikt worden als invoer in het model VSD+ (De Vries & Posch, 2003).
Hoe groot het uitwisselcomplex is (de CEC) wordt voornamelijk bepaald door het kleigehalte en het organische- stofgehalte. Een manier om de CEC bij pH 6.5 te schatten is om de CEC af te leiden als functie van het klei- en organische-koolstofgehalte, rekening houdend met de invloed van pH volgens Helling et al. (1964):
CEC = (0.44 ⋅ pH + 3.0) ⋅ clay + (5.1 ⋅ pH − 5.9) ⋅ 𝐶𝐶org [16]
waarbij clay en Corg staan voor respectievelijk het klei- en organische-koolstofgehalte (beide in %) en de pH in deze
vergelijking zo dicht mogelijk bij de pH van de bodemoplossing moet liggen. Vergelijking [16] komt overeen met
Breeuwsma et al. (1986), die een lineair verband vond tussen de CEC gebufferd bij pH 6.5 (NH4 acetaat gebufferde
CEC) en het gehalte aan klei en organische stof, met een hellingscoëfficiënt van 5% voor klei en 30% voor organische koolstof.
Vergelijking [16] werd geëvalueerd met onze dataset van gemeten CEC-waarden voor de pH in de veldsituatie, in combinatie met gegevens over klei en organische koolstof. De resultaten vertoonden soms relatief grote verschillen. Daarom is de CEC bij pH 6.5 berekend volgens
𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶updated(pH6.5)= 𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶calculated(pH6.5)⋅ (𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶measured/𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶calculated(measuredpH)) [17]
Waarbij het CEC berekend is volgens Vergelijking [16]. Kalibratiemethode
Uitwisseling van basische kationen tegen H+ en Al3+ is een belangrijk buffermechanisme tegen bodemverzuring
(Bonten et al., 2016b). In de bodem worden H+ en Al3+ in het bodemvocht uitgewisseld tegen Ca, Mg en K die aan
het uitwisselcomplex zijn geadsorbeerd. De verhouding van H en Al aan het uitwisselcomplex enerzijds en Ca, Mg
[17] Waarbij het CEC berekend is volgens Vergelijking [16].
KALIBRATIEMETHODE
Uitwisseling van basische kationen tegen H+ en Al3+ is een belangrijk buffermechanisme
tegen bodemverzuring (Bonten et al., 2016b)2016b. In de bodem worden H+ en Al3+ in het
bodemvocht uitgewisseld tegen Ca, Mg en K die aan het uitwisselcomplex zijn geadsorbeerd. De verhouding van H en Al aan het uitwisselcomplex enerzijds en Ca, Mg en K anderzijds wordt bepaald door de verhouding van deze ionen in de bodemoplossing en de uitwissel- constanten.
In het model VSD+ kan de uitwisseling van basische kationen aan de CEC worden beschreven met twee modellen, Gaines-Thomas en Gapon (Posch & Reinds, 2009). In vorige studies met VSD+ is gebleken dat het gebruik van Gaines-Thomas kan leiden tot zeer lage (onrealistische) basenverzadiging voor zure gronden. Daarom is voor de WWN modellering gekozen voor het Gapon-model. In het Gapon-model wordt uitwisseling beschreven via de volgende vergelij- king:
KWR | Novermber 2020 Modellering effecten van klimaat en waterbeheer op de bodem-pH met de WWN 80
en K anderzijds wordt bepaald door de verhouding van deze ionen in de bodemoplossing en de uitwisselconstanten.
In het model VSD+ kan de uitwisseling van basische kationen aan de CEC worden beschreven met twee modellen, Gaines-Thomas en Gapon (Posch & Reinds, 2009). In vorige studies met VSD+ is gebleken dat het gebruik van Gaines-Thomas kan leiden tot zeer lage (onrealistische) basenverzadiging voor zure gronden. Daarom is voor de WWN modellering gekozen voor het Gapon-model. In het Gapon-model wordt uitwisseling beschreven via de volgende vergelijking: 𝐸𝐸𝐴𝐴𝐴𝐴 𝐸𝐸𝐵𝐵𝐵𝐵
= 𝑘𝑘
𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴⋅
[𝐴𝐴𝐴𝐴]1/3 [𝐴𝐴𝐴𝐴]1/2en
𝐸𝐸𝐻𝐻 𝐸𝐸𝐵𝐵𝐵𝐵= 𝑘𝑘
𝐻𝐻𝐴𝐴𝐴𝐴⋅
[𝐻𝐻] [𝐴𝐴𝐴𝐴]1/2 [18]Waarbij EAl, EBc en EH de uitwisselbare fracties zijn van Al, basische kationen en H, KAlBc en KHBc zijn de
uitwisselingsconstanten die de uitwisselbare fracties relateren aan de concentraties in de bodemoplossing: [Al] en
[H] tegen [Bc]. De uitwisselingsconstanten zijn gekalibreerd door het model VSD+ toe te passen op 250×250m
cellen in Nederland (analoog aan de toepassing van SMART2; zie Kros et al. (2016) met verschillende combinaties van bodemtype, vegetatie en grondwatertrap, waarbij de uitwisselingsconstanten gevarieerd werden tussen realistische minima en maxima afgeleid uit De Vries & Posch (2003). Voor beide uitwisselingscontanten werd de range tussen de realistische minimum en maximum waarde opgedeeld in 8 gelijke intervallen met bijbehorende K-
waarden. Per bodemtype zijn dus 8x8 is 64 combinaties van KAlBc en KHBc gebruikt voor de VSD+ berekeningen.
Gesimuleerde combinaties van pH en basenverzadiging per VSD+ bodemtype zijn vervolgens vergeleken met de eerder beschreven meetgegevens. Op basis van de afwijking tussen gemeten en gesimuleerde relaties is de beste
combinatie van KAlBc en KHBc per bodemtype geselecteerd. Uit de metingen is de gemiddelde basenverzadiging
berekend per interval van 0.2 pH-eenheid, en daarmee zijn de simulaties vergeleken. Dit levert 25 gemiddelde waarnemingen voor het pH traject 3-8.
[18] Waarbij EAl, EBc en EH de uitwisselbare fracties zijn van Al, basische kationen en H, KAlBc en KHBc zijn de uitwisselingsconstanten die de uitwisselbare fracties relateren aan de concentraties in de bodemoplossing: [Al] en [H] tegen [Bc]. De uitwisselingsconstanten zijn gekalibreerd door het model VSD+ toe te passen op 250‐250m cellen in Nederland (analoog aan de toepassing van SMART2; zie Kros et al. (2016) met verschillende combinaties van bodemtype, vegetatie en grondwatertrap, waarbij de uitwisselingsconstanten gevarieerd werden tussen realistische minima en maxima afgeleid uit De Vries & Posch (2003). Voor beide uitwisselingscontanten werd de range tussen de realistische minimum en maximum waarde opgedeeld in 8 gelijke intervallen met bijbehorende K-waarden. Per bodemtype zijn dus 8x8 is 64 combinaties van KAlBc en KHBc gebruikt voor de VSD+ berekeningen. Gesimuleerde combinaties van pH en
basenverzadiging per VSD+ bodemtype zijn vervolgens vergeleken met de eerder beschreven meetgegevens. Op basis van de afwijking tussen gemeten en gesimuleerde relaties is de beste combinatie van KAlBc en KHBc per bodemtype geselecteerd. Uit de metingen is de gemiddelde
basenverzadiging berekend per interval van 0.2 pH-eenheid, en daarmee zijn de simulaties vergeleken. Dit levert 25 gemiddelde waarnemingen voor het pH traject 3-8.
BIJLAGE V