Verzuring en metalen

Binnen regio’s van het zandgebied (onder andere Zuid-Nederland) komen verhoogde concentraties van cadmium, nikkel en zink voor in het grondwater. Het meest

aannemelijk is dat dit het gevolg is van de oxidatie van pyriet (hierin komen deze metalen voor) onder invloed van de uitspoeling van nitraat en verdroging (Van Beek, 1997). Deze metalen kunnen mobiel blijven in het bodemvocht onder relatief zure omstandigheden, omdat ze bij lagere pH waarden niet meer geadsorbeerd worden aan het bodemadsorptiecomplex.

Als gevolg van extreme verzuring ten gevolge van het droogvallen van pyrietrijke bodems, kunnen nabij het maaiveld zeer lokaal metaalionen worden gemobiliseerd (Lucassen et al., 2002; Smolders et al., 2006b). De mate waarin dit gebeurt hangt af van de redoxcondities en de pH. Aluminium (Al) en zware metalen als zink (Zn), nikkel (Ni), cadmium (Cd), kobalt (Co), en mangaan (Mn) kunnen vrijkomen in het bodemvocht als de redoxpotentiaal stijgt en de pH daalt. Hierbij kunnen ze in hoge concentraties toxisch zijn voor zowel flora als fauna. Metalen als ijzer (Fe), koper (Cu) en lood (Pb) blijven langere tijd vastgelegd omdat ze sterk adsorberen aan met name de ijzer(hydr)oxiden die onder oxidatieve omstandigheden gevormd kunnen worden (Drever, 1997; Lucassen et al. 2002). Deze ijzer(hydr)oxiden lossen pas op bij pH waarden lager dan 3,5 en het is dan ook alleen bij ernstige verzuring dat ook de concentraties van deze metalen sterk stijgen (Drever, 1997; Lucassen et al. 2002).

In het traject beneden pH 4,5, stijgt de aluminiumconcentratie aanzienlijk. Vele karakteristieke soorten van schraallanden (bijvoorbeeld Valkruid en Spaanse ruiter) blijken gevoelig te zijn voor hoge aluminiumconcentraties in het bodemvocht (de Graaf et al., 1997). Met name de wortelgroei van de planten wordt hierdoor aangetast.

Interessant hierbij is dat de verhouding tussen aluminium en calcium in het bodemvocht de mate van toxiciteit mede bepaald. Hoe dit precies werkt is nog onbekend. Calcium speelt ook een belangrijke rol in het zuurbufferende vermogen van het systeem (zie boven) en daarmee in het voorkomen van aluminiumtoxiciteit (de Graaf et al., 1997; Lucassen et al. 2002).

Directie Kennis 75 4.5.4 Verzuring en ammoniumtoxiciteit

Ammonium kan door nitrificerende bacteriën in goed geaëreerde bodems worden omgezet in nitraat (nitrificatie). Hierbij wordt H+ _{gevormd dat bij onvoldoende}

buffercapaciteit in een systeem tot verzuring kan leiden. Indien de pH van de bodems te sterk daalt (pH < 5) kan de nitrificatie worden geremd en kan ammonium ophopen in de bodem. In lage concentraties is ammonium een belangrijke stikstofbron. In hoge

concentraties kan ammonium echter een negatieve invloed hebben op planten als gevolg van toxische effecten en metabolisch stress (de Graaf et al. 1998; Lucassen et al. 2003). Wanneer planten ammonium opnemen scheiden ze voor elk molecuul ammonium een waterstofion (H+_{) uit. Wanneer de pH van het omringende milieu hoog is, kunnen}

planten over het algemeen gemakkelijk ammonium opnemen zonder dat dit schadelijk is voor de plant. Bij een lage bodem-pH kan ammoniumopname echter leiden tot verzuring van de wortels omdat ze de protonen die vrijkomen bij de ammoniumopname niet snel genoeg kunnen afgeven. Verzuring van de wortels is voor veel gevoelige planten, zoals de Spaanse ruiter (Cirsium dissectum), een belangrijke oorzaak waardoor ze niet op zure ammoniumrijke bodems kunnen groeien (Lucassen et al., 2003). Een ander negatief effect van hoge ammoniumconcentraties is dat de opname van andere kationen zoals

magnesium en kalium verminderd kan worden. Hierdoor kunnen met name op

basenarme bodems magnesium- en kaliumgebrek optreden (Marschner, 1995). Ook een chronische hoge belasting met ammonium is voor veel plantensoorten schadelijk. 4.5.5 Stuurbaarheid

In het algemeen is de buffercapaciteit van een bodem goed te sturen. Bekalken van bodems is in principe een goede maatregel om de basenverzadiging en de

buffercapaciteit van een bodem omhoog te krijgen. Dit geldt vooral voor minerale bodems. Het nadeel van bekalken is dat het een weinig subtiele manier is om de basenverzadiging te herstellen en in bodems met organisch stof leidt tot interne eutrofiëring en deels ook ammoniumtoxiciteit.

De aanvoer van basen via het grondwater kan gestuurd worden door hydrologische maatregelen te nemen die het grondwater gedurende een langere tijd aan maaiveld brengen. Tevens zullen gemiddeld nattere condities er voor zorgen dat buffercapaciteit wordt opgebouwd door reductieprocessen. De grondwaterkwaliteit kan echter door vermesting zorgen voor afbraak en eutrofiëring in kwelgebieden (zie onderdeel ijzer-, zwavel-, stikstofcyclus, paragraaf 4.4.2). Ook bevloeien of inunderen met beekwater kan de buffercapaciteit van de bodem verhogen. Hierbij speelt dan niet alleen de aanvoer van basen via het beekwater een rol maar ook de aanvoer van slib met geadsorbeerde

kationen en reduceerbaar ijzer. Het nadeel van inundatie met beekwater is dat het vaak rijk is aan nitraat, sulfaat en/of fosfaat. Voor de buffering van semi-terrestrische systemen wordt bevloeiing met diep grondwater nog niet toegepast maar dit is in principe wel mogelijk.

Plaggen eventueel in combinatie met bekalking kan een goede maatregel zijn om de ammoniumconcentratie in de toplaag van een verzuurde bodem terug te dringen (bijvoorbeeld op soortenrijke heides).

4.6 Regulatie voedselrijkdom

De relatie tussen soortenrijkdom en productiviteit van ecosystemen verloopt via een optimum curve, de zogenaamde ‘Hump-back’ relatie. Bij een laag en een hoog

productieniveau is een lage biodiversiteit te verwachten. De grootste soortenrijkdom is te verwachten bij niet te hoge en niet te lage niveaus. De respons van ecosystemen op beschikbaarheid van voedingsstoffen wordt daarom meestal gerelateerd aan de productiviteit van de vegetatie.

De productiviteit van de vegetatie wordt meestal door stikstof, maar vaak ook door fosfaat of kalium of combinaties daarvan beperkt. De beschikbaarheid van elk van deze voedingsstoffen wordt gereguleerd door een hiërarchisch stelsel van, geomorfologische, regionaal hydrologische, fysisch chemische, microbiologische en fysiologische processen (figuur 4). Geomorfologische processen hebben de belangrijkste invloed gehad op de in het landschap voorkomende grondsoorten (het moedermateriaal). De eigenschappen van het moedermateriaal (zand, klei, veen, kalk, leem/löss) zijn medebepalend voor de

76 Directie Kennis voedselrijkdom. De overige processen grijpen in op dit moedermateriaal waardoor

voedingsstoffen vrijgemaakt of juist vastgelegd kunnen worden. Zij zijn in de genoemde volgorde werkzaam op de schaal van het landschap, de standplaats, het humusprofiel en het operationele niveau van de individuele plant (figuur 12).

Op de schaal van het landschap zijn hydrologische gradiënten de belangrijkste drijvende kracht achter het grondwaterstandregime en de samenstelling van het grondwater op het niveau van de standplaats. Op de schaal van de standplaats is het grondwaterregime bepalend voor het vochtgehalte, de bodemtemperatuur en de redoxtoestand in de bodem, evenals via grondwaterstromen uiteindelijk de basen- en ijzertoestand worden beïnvloed. Op de schaal van het humusprofiel zijn vochtgehalte, zuurgraad,

bodemtemperatuur, redoxtoestand, basen- en ijzertoestand bepalende randvoorwaarden voor chemische interacties tussen onder andere calcium, ijzer, sulfaat en fosfaat, en voor microbiologische processen zoals strooiseldecompositie, stikstof- en fosfaatmobilisatie en immobilisatie. Al deze processen reguleren uiteindelijk de beschikbaarheid van voedingsstoffen in de bodem via decompositie, mineralisatie en opbouw van organische stof en chemische reacties tussen componenten.

Naast bovengenoemde processen die op indirecte wijze de beschikbaarheid van voedingsstoffen beïnvloeden, zijn er ook directe invloeden zoals atmosferische stikstofdepositie en aanvoer van nitraat, fosfaat of kalium door grondwater- of oppervlaktewaterstromen.

In de volgende subparagrafen worden de belangrijkste sleutelfactoren/processen voor de regulatie van de voedselrijkdom besproken.

4.6.1 Kalium

Kalium kan beschikbaar komen via decompositie van organisch materiaal of door verwering van veldspaten. Het meest relevant is decompositie. In het vocht van plantencellen is veel K+ _{aanwezig, dat beschikbaar komt door afbraak van cellen}

(cytolyse). Kalium kan tijdelijk worden geadsorbeerd door het kationenadsorptiecomplex, maar spoelt gemakkelijk uit. In humusprofielen met slecht afgebroken organische

stoflagen (fibrics) is kalium via cytolyse doorgaands ruim beschikbaar. Kaliumlimitatie treedt vaak op in sterk gehumificeerde en verteerde gronden (humics), omdat kalium door uitspoeling is verdwenen.

4.6.2 Stikstof

Stikstof komt door mineralisatie uit organische stof beschikbaar in de vorm van ammonium (ammonificatie) en kan afhankelijk van de zuurgraad worden omgezet in nitraat (nitrificatie). Bodemtemperatuur heeft een belangrijke invloed op de N- mineralisatie. Atmosferische depositie is een andere belangrijke bron van stikstof. Ammonium kan giftig zijn voor bepaalde plantensoorten (zie paragraaf 4.5.4). Nitraat kan onder anaërobe omstandigheden verdwijnen als stikstofgas door denitrificatie. Nitraat en ammonium kunnen door micro-organismen worden opgenomen voor eiwitsynthese (N-immobilisatie) tijdens een proces wat humificatie wordt genoemd. De verhouding tussen N-mobilisatie en N-immobilisatie is afhankelijk van de vitaliteit van het bodemleven en kan verschuiven in de richting van N-mobilisatie bij afname van vitaliteit door verzuring. Dit gaat waarschijnlijk gepaard met een verschuiving van bacterieel naar schimmel gedomineerd bodemleven. De daadwerkelijke beschikbaarheid van stikstof is bovendien afhankelijk van de totale stikstofvoorraad in de bodem. Standplaatsen met stikstofbeperking kunnen over de gehele gradiënt van het beekdal voorkomen. 4.6.3 Fosfaat

Fosfaat in beekdalen

Fosfaat komt beschikbaar door verwering van mineralen (langzaam, minder relevant) of door mineralisatie uit organische stof (figuur 11). Na mineralisatie kan fosfaat worden opgenomen door micro-organismen in de bodem, of worden geadsorbeerd aan ijzer- en aluminiumoxiden. Vorming van onoplosbare fosfaatzouten (Ca-P, Fe-P) vindt nauwelijks plaats tenzij hoge concentraties van deze componenten voorkomen. Door de veelheid van interacties die mogelijk is na mineralisatie is het uiterst moeilijk P-mineralisatie te meten.

Directie Kennis 77 In beekdalen spelen met name ijzeroxiden een belangrijke rol bij de regulatie van de fosfaatbeschikbaarheid. Aluminiumoxiden komen veel voor in lemige en kleiige gronden en kunnen dan een belangrijke rol spelen bij de regulatie van de fosfaatbeschikbaarheid. Er zijn talrijke methoden in omloop om de fosfaatbeschikbaarheid vast te stellen op basis van meer of minder agressieve extractiemethoden. De verhouding tussen geadsorbeerd P en amorfe Fe-oxiden (de fosfaatverzadigingsindex: PSI) is bepalend voor de chemische beschikbaarheid van fosfaat. De beschikbaarheid van P is goed te verklaren uit het theoretische evenwicht tussen geadsorbeerd en in bodemvocht opgelost P. Bij een lage PSI is de beschikbaarheid gering, naarmate de PSI toeneemt, verschuift het evenwicht naar de opgeloste fase en neemt de P-beschikbaarheid toe. Onder anaërobe reducerende omstandigheden lossen Fe-oxiden op, waardoor de fosfaatadsorptiecapaciteit afneemt, de PSI stijgt en P in oplossing komt. Bij continue waterafvoer kan hierdoor veel fosfaat beschikbaar komen, waardoor eutrofiëring en/of uitspoeling (oppervlaktewaterbelasting) optreedt. Vernatting kan dus leiden tot verhoogde P-beschikbaarheid en eutrofiëring. Dit proces wordt versterkt naarmate de pH lager is en in aanwezigheid van sulfaat (interne eutrofiëring) (zie paragraaf 4.4.2). Onder de reducerende omstandigheden wordt sulfaat omgezet in sulfiden, die met gereduceerd Fe moeilijk oplosbare FeS verbindingen vormen. Er zijn aanwijzingen dat wisselend natte en droge omstandigheden leiden tot toename van de fosfaatadsorptiecapaciteit en afname van de chemische

beschikbaarheid. Dit zou het gevolg zijn van de nieuwvorming van amorfe Fe-oxiden uit kristallijne Fe-oxiden. Organisch Gebonden P in humus P in planten H_xPO₄ P-geadsorbeerd P-gefixeerd P-zouten P-complexen Vloeibare fase Vlaste fase Organisch Gebonden P in humus P in planten H_xPO₄ P-geadsorbeerd P-gefixeerd P-zouten P-complexen Vloeibare fase Vlaste fase

Figuur 11: Kringloop van fosfaat in terrestrische ecosystemen.

Hoe al deze processen verlopen is sterk afhankelijk van het lokale waterregime en de aard van het moedermateriaal (veel, weinig ijzer, aluminium, kalk etc.). Op voorhand is het daarom niet aan te geven onder welke condities P-beperking optreedt. P-beperkte standplaatsen komen over de gehele gradiënt van het beekdal voor.

Fosfaat kan ook de vorm van fosfaatzouten worden vastgelegd wanneer het

calciumgehalte in de bodem hoog is. Dit is vooral het geval in kalkrijke bodems die in beekdalen beperkt voorkomen (vooral Zuid-Limburg en Noord-Brabant). Deze

vastlegging is ongevoelig voor redoxtoestand en daarmee ook voor waterregime. Fosfaat in landbouwgronden

Door bemesting is de fosfaatverzadigingsindex van de voorheen arme zandgronden vaak hoog. Op ijzerrijke gronden hoeft dat niet altijd het geval te zijn. Afhankelijk van het geduld dat men heeft kan worden besloten het surplus aan fosfaat te verwijderen door af te graven of door uit te mijnen. Afgraven levert vaak een snelle winst op korte termijn, maar leidt tot verlies van het bodemleven, dat een belangrijke randvoorwaarde vormt voor herstel van bovengrondse biodiversiteit. Uitmijnen van fosfaatverzadigde gronden gaat aanvankelijk snel omdat P gemakkelijk beschikbaar is. In latere stadia gaat uitmijnen steeds langzamer. Na 25-30 jaar zijn ook zonder afgraven op voormalige landbouwgronden laag productieve omstandigheden te realiseren. Doelsoorten

ontbreken echter, wat samenhangt met een lege zaadbank of geringe dispersie. Fosfaat en overstroming

Fosfaat kan ook door beken via sediment worden aangevoerd bij overstroming. Dit proces lijkt vooral afhankelijk van de sedimentsamenstelling. Slibrijk materiaal (Al- oxiden) bevat veel fosfaat terwijl aan zwevend organisch stof weinig fosfaat maar wel veel ijzer gebonden (chelaten). Onderzoek in Drentse beekdalen liet zien dat

78 Directie Kennis kan uitstromen over het maaiveld, leidt tot aanvoer van extra ijzer dat ten goede komt

aan het fosfaatbindend vermogen. 4.6.4 Stuurbaarheid

Via intern beheer van natuurgebieden heeft de lokale beheerder grote invloed op de regulatie van nutriëntstromen via maaien en afvoeren, plaggen en chopperen. Hierdoor kunnen voedingstoffen worden onttrokken aan de kringloop. Vervolgens is het

grondwaterstandverloop een van de meest dominante en makkelijkst te beïnvloeden processen, die mede verantwoordelijk zijn voor de regulatie van beschikbaarheid van voedingsstoffen. Ook de watersamenstelling is bepalend voor deze regulatie, maar omdat die juist afhankelijk is van grondwaterstroming op landschapsschaal hebben we daar veel minder invloed op. Via manipulatie van waterstanden kan de beheerder dus een belangrijke invloed uitoefenen op de beschikbaarheid van voedingsstoffen. In veel gevallen komt het aan op subtiel maatwerk als vooropgestelde doelen gerealiseerd moeten worden. De directe invloeden (stofstromen) zijn over het algemeen enigszins te beheersen door het creëren van afstand tussen de bron en het natuurgebied:

bufferzones; emissiezones.

Naast ‘bestaande’ natuur zijn er ook natuurontwikkelingsgebieden, die veelal

gekenmerkt worden door een voormalig agrarisch gebruik en grote nutriëntvoorraden. Deze voorraden zijn zo dominant dat bovengenoemde regulatiemechanismen, zeker in de beginfasen, niet relevant zijn. Er moet dan een afweging gemaakt worden tussen rigoureus ingrijpen via verwijdering van de bouwvoor of inzetten van

beheersmaatregelen als verschralen, uitmijnen van de grond, ijzertoevoeging of het opgang brengen van processen die de beschikbaarheid van nutriënten verminderen. Dit hangt in hoge mate af van de lokale uitgangstoestand en vraagt veelal maatwerk.

4.7

Bodemvorming en bodemleven

Hydrologische processen (wegzijging/kwel) en de aard van het moedermateriaal zijn evenals bij de vegetatieontwikkeling, de belangrijkste factoren bij de bodemvorming. Bij bodemvorming (figuur 12) kan onderscheid worden gemaakt tussen het

onafhankelijke deel, de grondsoort of moedermateriaal (gespikkelde bollen) en het afhankelijke of veranderlijke deel van de bodem, het humusprofiel (grijze bollen). De standplaatseisen van natuurlijke vegetaties zijn vooral in verband te brengen met dynamische processen die zich in het humusprofiel afspelen. Daarom ligt veel relevante procesinformatie opgeslagen in het humusprofiel van de bodem.

Het humusprofiel is dat deel van de bodem waarin de biologische activiteit zich grotendeels afspeelt. Insecten, wormen, aaltjes, schimmels en micro-organismen zorgen ervoor dat strooisel al dan niet wordt gefragmenteerd, gemineraliseerd, gehumificeerd en gehomogeniseerd met de minerale ondergrond. Het humusprofiel integreert het effect van strooiselaanvoer en biologische activiteit over de tijd. De mate waarin de verschillende bodemorganismen actief zijn, wordt sterk beïnvloed door de bodemzuurgraad, de aëratie, het vochtgehalte, eventuele toxische stoffen en

nutriënten. Het humusprofiel is daardoor in verband te brengen met genoemde bodemfactoren.

De vorm waarin het humusprofiel aanwezig is, geeft aan of er transformatie en homogenisatie van organische stof door bodemorganismen plaatsvindt dan wel dat accumulatie plaatsvindt door geringe bodembiologische activiteit. Onder vochtige en neutrale en (mineralogisch) rijke omstandigheden ontstaan sterk gehomogeniseerde profielen (mull, mullmoder). Onder extreme omstandigheden (lage of hoge zuurgraad, nat, koude) ontstaan sterk gelaagde humusprofielen door strooiselaccumulatie (mor, mesimor). De humusvorm informeert daarom niet alleen over milieucondities of bodemomstandigheden, maar ook over nutriëntenvoorraden en –kringloopsnelheden. Omdat strooiselomzetting een relatief snel proces is, verstrekt het humusprofiel informatie over dynamische bodemprocessen. Het humusprofiel weerspiegelt daarom in veel sterkere mate de actuele bodemtoestand dan het traditionele pedogenetische bodemprofiel dat zich beperkt tot profielvorming in de minerale laag.

Het humusprofiel wordt getypeerd naar het voorkomen van en de dikteverhoudingen tussen organische horizonten in en op de bovenste 40 cm van de minerale ondergrond.

Directie Kennis 79 De verteringsgraad van de organische stof en de omstandigheden waaronder vertering heeft plaatsgevonden zijn belangrijke criteria en kunnen aan de hand van

veldkenmerken worden vastgesteld. Bodemcondities (vocht, basen, temperatuur, nutriënten) zijn mede sturend voor de activiteit van de bodemfauna in verschillende trofische niveaus (voedselleagues of functionele groepen). Zij sturen de mineralisatie en immobilisatie van N en P en zijn de motor achter nutriëntkringlopen (figuur 11 en 13). Met name wormen en microben kunnen een omvangrijke sinkterm van koolstof en nutriënten in de bodem vormen in de vorm van sterk gehumificeerde stabiele humus.

Verzuring Inrichting MOEDERMATERIAAL VEGETATIE Vernatting Mesimor Mor neutraal zuur droog/vochtig nat Transformatie & Homogenisatie Mull Accumualtie & Stratificatie Mormoder Mullmoder Moder Nutriënten Beheer Strooisel Verdroging Verzuring Inrichting MOEDERMATERIAAL VEGETATIE MOEDERMATERIAAL MOEDERMATERIAAL VEGETATIE VEGETATIE Vernatting Mesimor Mor neutraal zuur droog/vochtig nat neutraal zuur droog/vochtig nat Transformatie & Homogenisatie Mull Accumualtie & Stratificatie Mormoder Mullmoder Moder Nutriënten Beheer Strooisel Verdroging

Figuur 12: Factoren die bodemvorming op terrestrische standplaatsen bepalen.

In de volgende subparagrafen worden de belangrijkste sleutelfactoren/processen voor de bodemvorming en het bodemleven besproken.

4.7.1 Ontwikkeling van bodemprofielen