Natriumsulfaatmist:
Effect op lichtintensiteit, bodemsamenstelling en de groei
van gewassen.
9-2-2015 6328 woordenM.N.A. Gelauff (10409904),
natuurkunde; W.L. Gravemaker
(10422064), aardwetenschappen;
A.L. Isarin (5743168), scheikunde &
A.C.Waajen (10335315), biologie
Thema III deel 2; Interdisciplinair
onderzoeksproject
Onderzoeksbegeleiders; L.L. Mulder,
R. Sprik en M. Keestra
Abstract
Uit vroegere vulkaanuitbarstingen is gebleken dat een toename van natriumsulfaat in de atmosfeer desastreuze gevolgen kan hebben voor de oogst van gewassen en de leefomgeving van mensen (Stothers, 1999). Omdat ook door de industrie de hoeveelheid natriumsulfaat in de atmosfeer toeneemt (Rusnak et al., 2005), is het belangrijk te toetsen wat het effect is van natriumsulfaat- aerosolen in mist op gewassen. Omdat maïs een belangrijke voedselbron is (Graham, 2007), wordt in dit onderzoek het effect van natriumsulfaatmist op dit gewas onderzocht. Gedurende 19 dagen is de groei van maïsplanten in een demiwatermistconditie, een natriumsulfaatmistconditie met een concentratie van 3,55 g/L natriumsulfaat en een controleconditie zonder mist onderzocht. Gebleken is dat natriumsulfaatmist een negatieve invloed heeft op de groei van de maïsplant, omdat het zorgt voor bladsterfte, slappere planten en een lager drooggewicht. Dit wordt mogelijk verklaard door een lagere lichtdoorlatendheid van de natriumsulfaatmist. Hoewel het zwavelpercentage in de bodem van de natriumsulfaatmistconditie hoger is, is het zwavelpercentage in de plant juist lager. Het negatieve effect van natriumsulfaatmist op maïsplanten wordt dus niet verklaard door een hoger zwavelpercentage, maar wellicht wel door een lagere lichtdoorlatendheid.
2
Inhoudsopgave
Abstract... 1 Inleiding ... 3 Theoretisch kader ... 5 Natriumsulfaat in de atmosfeer ... 5 Natriumsulfaatmist en de maïsplant ... 6 Natriumsulfaatmist en de bodem ... 7 Natriumsulfaatmist en zonlicht ... 9 Methoden ... 12 Onderzoeksopstelling ... 12 Meetmethoden... 13 Analysemethoden: Statistiek... 15 Resultaten ... 16Uiterlijke kenmerken van de planten ... 16
Plantlengte ... 16 Vers- en drooggewicht... 16 Zwavelpercentage ... 18 Sulfaat-zwavelpercentage in de bodem ... 20 Discussie ... 23 Conclusie ... 26 Vervolgonderzoek ... 27 Dankwoord ... 28 Literatuurlijst ... 29 Bijlage: foto's ... 32 Bijlage: meetgegevens... 35
Uiterlijke kenmerken en plantlengte... 35
Vers- en drooggewicht... 36 Sulfaatconcentratie ... 37 Vochtpercentage bodem ... 37 Sulfaat-zwavel percentages... 38 Zwavelpercentages ... 38 Lichtdoorlatendheid ... 39
3
Inleiding
Bij een grote vulkaanuitbarsting als die van de Tambora in Indonesië in 1815 komt veel zwaveldioxide vrij in de tropo- en stratosfeer. Deze zwaveldioxide wordt snel geoxideerd tot sulfaatdamp (Oppenheimer, 2003; Andeweg, pers.comm., 17 oktober 2014). Deze sulfaatdamp vormt met positieve ionen, zoals natrium, aerosolen; vaste deeltjes die in een gasdamp zitten en die nog jarenlang effect kunnen uitoefenen op de omgeving (Stothers, 1999; Christopherson, 2013).
Een bekend gevolg van grote vulkaanuitbarstingen is de daling van de temperatuur wereldwijd: door blijvende mist wordt het zonlicht geabsorbeerd en gereflecteerd. Dit leidde tot ‘jaren zonder zomer’ waarin oogsten mislukten (Oppenheimer, 2003; Stothers, 1984; Stothers, 1999). De afgelopen 2000 jaar zijn er in Europa en het Midden-Oosten een aantal keer slechte oogsten en daaropvolgende hongersnoden geweest als gevolg van vulkaanuitbarstingen (Stothers, 1999). Dit gebeurde onder andere na de Tambora uitbarsting in Indonesië in 1815 AD (Oppenheimer, 2003), de Laki uitbarsting in IJsland in 1783 AD, de Eldgja uitbarsting in IJsland in 934 AD en een aantal uitbarstingen waarvan de locatie niet duidelijk is in 1258 AD, 934 AD, 536 AD en 44 BC (Stothers, 1999; D’Arrigo et al., 2001).
Vulkaanuitbarstingen zijn niet de enige oorzaak van een verhoogde sulfaatconcentratie in de lucht. Verschillende industrieën dragen hier ook aan bij. In 1999 werd 4,6 miljoen ton natriumsulfaat geproduceerd. Hiervan was ongeveer 50% het bijproduct van de chemische industrie, en kwam de rest uit natuurlijke bronnen. Natriumsulfaat wordt voornamelijk gebruikt bij de productie van glas en detergenten, maar bijvoorbeeld ook in de landbouw, textielindustrie en in de farmacie. In alle gevallen kunnen aerosolen en stofdeeltjes ontstaan die natriumsulfaat bevatten (Rusnak, 2005).
Natriumsulfaat is een zout en planten reageren verschillend, maar vaak negatief op zouten. Daarom is naar de invloed van zouten op planten al veel onderzoek gedaan(Eaton, 1942; Sairam, 2002; Parida & Das, 2005). De zouten zaten in deze onderzoeken in de bodem of in de watercultuur. Ook is er onderzoek gedaan naar de invloed van natrium in de bodem (Subbarao et al., 2003) en naar de verspreiding van sulfaat in de bodem (Aylmore et al., 1967). Onderzoek naar het effect van natriumsulfaat-aerosolen in mist op dieren werd gedaan door Last et al. (1980). Zij concludeerden dat het inademen van mist met natriumsulfaat niet schadelijk is voor muizen. Het effect van natriumsulfaatmist op planten is nog niet veel onderzocht. Wel is er onderzoek gedaan naar de toxiciteit van sulfaat, vastgesteld in de milieurisicogrens (Brand et al.,
4 2008). Ook is er gekeken naar de invloed van mist zonder natriumsulfaat op gewassen. Vanwege de recente toename van zwavelzuur in de atmosfeer werd in deze onderzoeken vooral gebruikt gemaakt van zwavelzuurmist (Hindawi et al., 1980; Muthuchelian et al., 1994; Wood & Bormann, 1974). Zij vonden dat zwavelzuur een negatief effect heeft op de groei van sommige planten. Ook is er onderzoek gedaan naar het effect van zwavelzuurregen op verschillende gewassen (Evans & Raynor, 1976; Lee et al., 1981).
De effecten van sulfaat-aerosolen zijn zodanig dat het nodig is om te onderzoeken wat de effecten zijn op het milieu en de oogst. Dit is van belang om in de toekomst beter voorbereid te kunnen zijn op mogelijke rampen zoals een vulkaanuitbarsting. Voor landbouw in de buurt van mogelijke bronnen van sulfaat, zoals industrieën, is het belangrijk om te weten of de kwaliteit van het gewas te lijden heeft onder de sulfaat-aerosolen.
Maïs is een gewas dat over de hele wereld zeer veel gebruikt wordt. Tussen 1995 en 2000 werd alleen al in de VS gemiddeld 196 ton per jaar aan maïskorrels verbouwd (Graham et al., 2007). In dit onderzoek wordt daarom maïs bekeken als testgewas onder de invloed van natriumsulfaatmist.
In dit onderzoek wordt bekeken of natriumsulfaatmist een effect heeft op de groei van maïsplanten. Hiervoor worden uiterlijke kenmerken van de plant onderzocht en wordt de lengte en het vers- en drooggewicht van de plant gemeten. Daarnaast wordt het effect van de mist op de fotosynthese van maïsplanten te bepaald, door de lichtdoorlatendheid van de mist te meten. Ook wordt de opname van sulfaat door de plant onderzocht door de zwavelconcentratie in de bodem, wortels en de bladeren en stengels van de plant (‘bladeren en stengels’ worden voortaan stengels genoemd) en de sulfaatconcentratie in de bodem te meten.
Op grond van eerder onderzoek wordt verwacht dat natriumsulfaatmist op verschillende manieren effect zal hebben op de groei van maïsplanten. Een teken van schade aan de plant kan bladsterfte zijn; dit treedt op als verdorde of gespleten puntjes aan de bladeren. Natriumsulfaatmist zou zorgen voor bladsterfte door een ophoping van ionen in de bladeren (McCune, 1991; Moyer et al., 1950; Gauch & Wadleigh, 1944), een lager vers - en drooggewicht (Rusnak, 2005; Eaton, 1942), een groter verschil tussen het vers- en drooggewicht, een grotere lengte (Dieleman, 2008) en minder mogelijkheid tot fotosynthese door de afgenomen lichtdoorlatendheid van de lucht (Gates et al., 1965). Hierbij wordt verwacht dat rood licht minder licht door zal laten dan blauw en wit licht, doordat de golflengte van dit licht korter is (Sprik, pers.comm., 2 februari 2015).
5
Theoretisch kader
Om het effect van natriumsulfaat is op de groei van maïsplanten te onderzoeken, is een interdisciplinaire aanpak nodig. Scheikunde levert kennis over het ontstaan van sulfaat en het gedrag van sulfaat in de atmosfeer. Voor de beoordeling van de groei van de plant en het bepalen van een aantal eigenschappen van de plant, is een biologische insteek nodig. De groei van de plant kan door de natriumsulfaatmist via verschillende wegen beïnvloed worden. Zo kan de verandering van de lichtinval een effect hebben op de fotosynthese van de plant. Hiervoor is natuurkundige en biologische kennis nodig. Ook kan de natriumsulfaatmist via de bodem en de wortels in de plant komen. Voor de eigenschappen en effecten van bodem is aardwetenschappelijke, biologische en scheikundige kennis nodig. Wanneer al deze disciplines bij elkaar worden gebracht en worden geïntegreerd, zal het effect van natriumsulfaatmist op de groei van maïsplanten gevonden kunnen worden. In figuur 1 staat de focus van elke discipline weergegeven.
Figuur 1. De focus van iedere discipline met betrekking tot het onderzoeken van het effect van natriumsulfaatmist op de groei van maïsplanten.
Natriumsulfaat in de atmosfeer
Bij een vulkaanuitbarsting komen gaswolken vrij waar veel verschillende stoffen in zitten. Deze bestaan voornamelijk uit SO2 die wordt omgezet naar SO32- en vervolgens naar SO42- (Kellogg, 1972; Andeweg, pers.comm., 17 oktober 2015; Van Maarseveen, pers.comm., 28 oktober 2014). In de gasfase wordt SO2geoxideerd naar SO32- via een reactie met een hydroxyl radicaal en in wolken hydrolyseert SO2met water naar SO32-. In figuur 2 is het reactiemechanisme te zien waarmee SO32-vervolgens naar SO42-wordt geoxideerd door water.
6 Figuur 2. De oxidatie van SO32- naar SO42- door een nucleofiele aanval van het zuurstofatoom in water op het
zwavelatoom in SO32-.
SO42- is een dubbel negatief geladen anion en kan samen met positief geladen kationen,
die ook bij een vulkaanuitbarsting vrijkomen, een binding vormen. Natriumsulfaat (Na2SO4) is
een van de vaste zouten die na een vulkaanuitbarsting in de atmosfeer worden gevormd (Fegley & Zolotov, 2000), maar ook zwavelzuur (H2SO4) kan worden gevormd. Een andere belangrijke
bron van natriumsulfaat in het milieu is de mijnbouw. Vooral bij kolenmijnen kan er veel natriumsulfaat vrijkomen (Christopherson, 2013). Natriumsulfaat komt in de atmosfeer als een aerosol voor, omdat het kleine deeltjes vormt die in een gasdamp hangen (Christopherson, 2013).
Natriumsulfaatmist en de maïsplant
Een hoge luchtvochtigheid vergroot de turgor van een plant, waardoor meer celstrekking op kan treden (Dieleman, 2008; Bakker, 1993). Turgor is de osmotische druk die een cel van binnenuit op de celward uitoefent, waardoor een plant zijn stevigheid behoudt (Alberts et al., 2008). Turgor veroorzaakt opzwellen van de plant en beïnvloedt daardoor ook de fotosynthese. Deze kan toenemen, doordat een verhoogde luchtvochtigheid zorgt voor openstaande stomata - huidmondjes - en grotere bladeren, waardoor de luchtopname en het bladoppervlak toenemen (Dieleman, 2008). De door turgor veroorzaakte groei resulteert in grotere verschillen tussen het versgewicht en het drooggewicht. Bij langdurig hoge luchtvochtigheid kan er echter een tekort aan calcium optreden, waardoor de bladeren van gewassen, zoals tomaten- en maïsplanten, juist kleiner worden (Dieleman, 2008).
Wanneer een plant wordt blootgesteld aan veel water en zouten, zou extreme wateropname kunnen optreden. Dit wordt ook wel hyperhydratie genoemd. Deze hyperhydratie zorgt voor watervergiftiging door osmose. Bij het onderzoek naar de effecten van natriumsulfaatmist op maïsplanten zou hyperhydratie van de maïsplant kunnen optreden (Correl et al., 2000).
Planten kunnen sulfaationen op twee verschillende manieren opnemen. De eerste manier is dat sulfaationen door huidmondjes in de bladeren van planten opgenomen worden uit de atmosfeer (Cape, 1993). De tweede manier is dat een plant sulfaat via de wortels uit de
7 bodem opneemt. Een plant neemt zwavelhoudende verbindingen op die opgeslagen worden, of omgezet worden in andere verbindingen. Ongebruikte zwavel wordt in de plant opgeslagen als sulfaat, vooral in de bladeren (Moyer et al., 1950). De hoeveelheid zwavel die een plant via mist opneemt, verschilt per plantensoort. Er is een verschil tussen planten met en zonder vettige bladeren: niet-vettige bladeren nemen sulfaatdeeltjes sneller op en zijn dus vatbaarder voor zure regen en mist dan vettige bladeren (Cape, 1993). Veel gewassen, zoals maïs, hebben geen vettige bladeren, zoals bijvoorbeeld vetplanten wel hebben. Dit maakt ze gevoeliger voor zure regen en mist. Hoe vaak en constant mist aanwezig is, speelt ook een rol in de hoeveelheid sulfaat die door de plant wordt opgenomen. Als er veel afwisseling is tussen mistige en mistloze perioden, neemt een plant meer aerosolen op dan wanneer er continu mist is (Cape, 1993).
In eerder onderzoek is aangetoond dat natriumsulfaat in de bodem of in waterculturen zorgt voor een lager drooggewicht bij verschillende gewassen (Eaton, 1942). Een hogere zoutconcentratie leidt bij gewassen vaak tot stress en een lagere opbrengst (Parida & Das, 2005). Ook blijkt uit onderzoek dat mist met zwavelzuur zorgt voor grotere bladsterfte en een lagere groei (Wood&Bormann, 1974), en dat zwavelzuurmist een groter effect heeft op de groei van planten dan zwavelzuur in regen en grondwater (Hindawi et al., 1980; Cape, 1993). De verwachting is dat natriumsulfaat in mistvorm ook een groter effect op de groei van de plant heeft dan natriumsulfaat in regen of grondwater.
Volgens Subbarao et al. (2003) kan natrium in de bodem een belangrijke functionele nutriënt zijn. Zij stellen dat bij veel processen binnen de plant natrium een rol speelt. Het kan bijvoorbeeld dienen als vervanger voor kalium, mocht daar een tekort aan zijn. Een toename van natrium in de plant door blootstelling aan natriumsulfaatmist kan dus van invloed zijn op de groei van de plant.
Natriumsulfaatmist en de bodem
In de aardwetenschappen wordt een bodem gezien als het deel van de aarde dat door planten beworteld wordt, of het gebied waar bodemvormende processen plaatsvinden. Als een zout op een vochtige bodem komt, verdeelt dat zich normaal over de bodemoplossing door diffusie. De bodem kan hier gezien worden als een oplosmiddel.
Volgens de Old Farmers Almanac (geen datum) groeit een maïsplant het beste op een leemachtige bodem, waarin een hoge hoeveelheid nutriënten beschikbaar is (zie figuur 3). Ook is het van belang dat de bodem voldoende vocht bevat, zonder dat de wortels van de maïsplant dieper dan het grondwaterniveau groeien.
8 Figuur 3. Afhankelijk van de samenstelling wordt de bodem ingedeeld in groepen zoals hier weergegeven.
Samenstellingen in de buurt van leem (Loam) zijn geschikt voor maïs.
Volgens Aylmore et al. (1967) verdeelt sulfaat zich gelijk door een bodem, vanaf de oppervlakte af naar omlaag. Zout in een bodem beïnvloedt de kationomwisselingscapaciteit, de mate van uitwisseling van positieve ionen met de bodemoplossing. Door toevoeging van zout kan de uitspoeling van nutriënten plaats vinden. Bij sterk geladen bodems of zeer zure bodems kan dit proces anders verlopen.
Zwavel kan in verschillende vormen voorkomen in het milieu. Dat geeft figuur 4 in de zwavelcyclus weer. Hier staat de bodem centraal, al zijn er meerdere mogelijke weergaven van de zwavelcyclus. Figuur 4 laat de processen zien die een rol spelen als er zwavel in de bodem zit. Er zijn twee toestanden waarin de zwavel uit de aerosolen in de bodem verwacht wordt, in bodemoplossing of als sulfaat dat geïmmobiliseerd is. Immobilisatie van sulfaat is de opname van sulfaat in de bodem door organismen, in de vorm van biomassa van micro-organismen. In die biomassa neemt de koolstof/zwavel-ratio toe, waarmee sulfaat door deze organismen uit de bodem opgenomen is. Bij metingen naar sulfaat in de bodemoplossing wordt de zwavel in micro-organismen niet meegenomen (Eriksen, 2005).
9 Figuur 4. De reservoirs van en de uitwisseling daartussen in de zwavelcyclus met de bodem centraal gesteld.
Natriumsulfaatmist en zonlicht
Tenslotte heeft natriumsulfaat in mist ook een mogelijk effect via verandering in de lichtbreking. De aerosolen in de atmosfeer absorberen en verstrooien het zonlicht (Hulst, van der, 1957) en afhankelijk van deze samenstelling komt licht met een grotere intensiteit (amplitude) aan op het oppervlak waar maïs groeit en dus ook op het bladoppervlakte van de maïsplant.
Een aerosol verstrooit licht evenredig in alle richtingen. Wanneer een lichtstraal loodrecht op een oppervlak schijnt en er een aerosol tussen komt, verstrooit dit het licht zoals weergegeven in figuur 5. De lichtintensiteit op het oppervlak neemt hierdoor af. Door de verstrooiing wordt de oorspronkelijke lichtstraal naar alle kanten verspreid. Dit is ook wat er gebeurt in mist. De aerosolen in de mist verstrooien het licht, waardoor er minder licht op het aardoppervlak komt. De verstrooiing van het licht door een aerosol is afhankelijk van de grootte van het deeltje en de golflengte van het licht. Hoe korter de golflengte en hoe groter de aerosol, des te beter de verstrooiing van het licht. Wanneer de deeltjes en de golflengte even groot zijn, treedt bijna geen verstrooiing op (Bohren & Huffman, 1983).
10 De aanwezigheid van natriumsulfaatmist of demiwatermist zorgt voor verandering in deze verstrooiing en absorptie. Die verandering heeft invloed op het licht dat de plant bereikt. Aerosolen in mist absorberen bijna geen licht, waardoor de extinctiecoëfficiënt van het licht voornamelijk uit verstrooiing bestaat (Gates et al., 1965). De extinctiecoëfficiënt (𝑄𝑒𝑥𝑡) is de hoeveelheid licht die het oppervlak niet meer bereikt. Deze is gelijk aan de verstrooiingscoëfficiënt (𝑄𝑠𝑐𝑎) plus de absorptiecoëfficiënt (𝑄𝑎𝑏𝑠):
𝑄𝑒𝑥𝑡 = 𝑄𝑠𝑐𝑎+ 𝑄𝑎𝑏𝑠 (1)
Doordat de absorbtiecoëfficiënt bij aerosolen nihil is, is de extinctiecoëfficiënt van aerosolen is gelijk aan de verstrooiingscoëfficiënt.
Het verschil in lichtintensiteit en lichtfrequentie dat de plant bereikt, heeft invloed op de groei en fotosynthese in de planten (Gates et al., 1965). Het absorptiespectrum van licht door planten dat gebruikt wordt bij fotosynthese wordt in figuur 6 weergegeven. Te zien is dat voornamelijk blauw en rood licht uit het zonlichtspectrum door chlorofyl bij de fotosynthese gebruikt wordt (Hulst, van der, 1957).
Doordat mist als een wolk boven de aarde hangt, bevat deze veel deeltjes die licht verstrooien. Het licht dat vanaf de zon op de aarde terecht komt, wordt in de aardse luchtlagen gebroken, gebogen en verspreid door de aerosolen hierin.
Figuur 6. Het absorptiespectrum van licht dat gebruikt wordt door planten bij fotosynthese, voornamelijk blauw en rood licht wordt geabsorbeerd door Chlorophyll a en Chlorophyll b, respectievelijk (zoals beschreven door Gates et al. in
1965).
Deeltjes in een wolk of mistbank zijn optisch dermate homogeen dat er gesteld kan worden dat de intensiteit van de inkomende lichtstraal(𝐼0) evenredig is met het licht dat doorgelaten wordt (𝐼𝑖) voor elk deeltje in de wolk als de intensiteit van inkomende lichtin een punt met een grote afstand 𝑟 van de aerosol en 𝑘 het golfgetal gedefinieerd als 𝑘 = 2𝜋λmetλals
11 golflengte in het medium.Hiermee kan voor elk deeltje in de mistwolk een index 𝐼𝑖 geschreven worden als:
𝐼
𝑖=
𝐹𝑖(𝜃,∅)∙𝐼0𝑘2𝑟2 (2)
Hierbij is 𝐹(𝛳, 𝜙) = ∑ 𝐹𝑖 𝑖(𝜃, ∅)dat gebruikt kan worden om bij een gegeven mistbank het effect van de mistsoort op de lichtbreking te berekenen (Hulst, Van der, 1957).
In Gu et al. (2003) wordt gesuggereerd dat door sulfaatmist geen directe maar diffuse radiatie bij planten terecht komt. Dit wordt gedaan door middel van de regressievergelijking gegeven door formule 3. Hierbij is 𝐼 de directe straal van het diffuse radiatie. 𝐶0, 𝐶1 en 𝐶2 zijn regressiecoefficiënten.𝛳is de elevatiehoek.
𝐼 = 𝐶0+ 𝐶1∙ (1 − 𝑒−𝐶2 • ϴ) (3) De aanname van diffuse radiatie stelt dat de berekeningen op een enkel aerosol hetzelfde effect heeft als op een groep aerosolen. Het vaker verstrooien van licht tegen verschillende aerosolen van een lichtstraal wordt hierbij verwaarloosd. In de metingen van Gu et al. (2003) zijn de directe straal radiatie en diffusie radiatie los van elkaar gemeten. Dit had geen effect op de resultaten van dat onderzoek. Deze aanname wordt in dit onderzoek gehandhaafd (Toon, 1980; Turco, 1982).
De wet van Lambert-Beer stelt dat de hoeveelheid invallende licht (𝐼0) een exponentiële samenhang heeft met de absorptiecoëfficiënt van de mist (𝛼) en de dikte van de mistbank (𝑑):
𝐼 = 𝐼0· 𝑒𝛼 ·𝑑 (4)
Wanneer de mist aerosolen bevat, zal het licht meer verstrooid worden. Hierdoor wordt de absorptiecoëfficiënt van de mist groter dan die van gewone lucht. Deze absorptiecoëfficiënt is specifiek voor een bepaalde dichtheid van de mist.
Integratie van de disciplines
Het integreren van kennis over natriumsulfaatmist in de atmosfeer, maïsplanten, bodem en interactie met het zonlicht gebeurt in een onderzoeksopstelling, waarbij het van belang is om common ground te vinden. In figuur 7 is te zien waar de common ground tussen de verschillende disciplines zich bevindt. De disciplines kruisen elkaar enkelvoudig in de theorie over verstrooiing, fotosynthese, wortels, neerslag in de bodem en turgor. Integratie van kennis uit tenminste drie disciplines vindt plaats bij de theorie over aerosolen en opname van natriumsulfaat via de bodem. De integratietechnieken add, adjust en connect zijn gebruikt om begrippen (zoals aerosolen) opnieuw te definiëren en om common ground te creëren.
12 Figuur 7. De integratie van de vier disciplines bij het beantwoorden van de onderzoeksvraag gebruik makend van de
add, adjust en connect integratietechnieken.
Methoden
Onderzoeksopstelling
In dit onderzoek is het effect van natriumsulfaatmist op de groei van suikermaïsplanten (verder: maïsplant) onderzocht. Hiervoor zijn maïszaden in drie verschillende condities – een natriumsulfaatmistconditie, een demiwatermistconditie en een controleconditie – viermaal in potgrond geplant. In de eerste twee condities wordt in afgesloten kooien mist gegenereerd door ultrasone vernevelaars: in de eerste conditie bestaat de mist uit demiwater (verder mistconditie genoemd); in de andere conditie bestaat de mist uit een oplossing van 3,55 g/L natriumsulfaat in demiwater (later natriumsulfaatmistconditie genoemd). In de derde conditie zijn de maïszaden in potgrond geplant naast de kooien in een open ruimte. Deze maïszaden zijn niet blootgesteld aan mist en krijgen twee keer per week 50 mL kraanwater, zodat er geen watertekort ontstaat. In de afgesloten kooi met natriumsulfaatmist is ook potgrond zonder maïszaden geplaatst.In figuur 8 is een schematische voorstelling van de gebruikte opstelling te zien.
Het onderzoek is in kooien van 43x40x60cm gedaan, bij een temperatuur van 21°C met 16 uur per dag kunstmatig zonlicht. De mist in de natriumsulfaatmist- en mistcondities is in afgesloten perspex kooien rondgepompt.
13 Figuur 8. Een schematische voorstelling van de gebruikte onderzoeksopstelling met links de mistconditie en rechts de
natriumsulfaatmistconditie.
Water wordt vanuit een wateropslag - in figuur 8 te zien als In - naar ultrasone vernevelaars gepompt. In de wateropslag van de eerste conditie is een natriumsulfaatoplossing gemaakt door watervrije natriumsulfaat op te lossen in demiwater in een concentratie van 3,55 g/L. In het onderzoek van Eaton (1942) worden natriumsulfaatconcentraties van 50 tot 150 meq/L in een watercultuur onderzocht. Er wordt een sterker effect verwacht van natriumsulfaat in mistvorm dan in de watercultuur, dus wordt in dit onderzoek een concentratie van 50 meq/L (3,55 g/L) aangehouden.
Deze oplossing loopt via een buis naar de ultrasone vernevelaar, waar op een trilplaat mist wordt gegenereerd met aerosolen van 2 tot 3 micrometer. De mist wordt via een buizensysteem de kooien in geleid, waar het condenseert of door circulatie geherintroduceerd wordt in de vernevelaar. Dezelfde constructie is gemaakt voor de mistconditie. Het enige verschil tussen deze condities dat in de wateropslag van de natriumsulfaatconditie natriumsulfaat wordt opgelost.
De natriumsulfaatmist en de demiwatermist zijn op maandag, woensdag en vrijdag om 17.00 gedurende 19 dagen (zolang de maïsplanten de bovenkant van de kooien niet raken) gegenereerd voor 30 minuten. Na 19 dagen zijn de maïsplanten geoogst.
Meetmethoden
Om het effect van natriumsulfaatmist op de groei van maïsplanten te onderzoeken, zijn verschillende metingen gedaan. Zo is de lengte en het vers- en drooggewicht van de maïsplanten bepaald om het verschil in de groei van de planten te bepalen. Het vochtgehalte van de bodem is gemeten om vast te stellen of de beschikbare hoeveelheid water verschilt per groep. Hierbij zijn vijf verschillende bodemgroepen onderzocht. Dit zijn de drie condities waar
14 de maïsplanten in staan, een potgrond controlegroep (de beginconditie van het experiment, namelijk de potgrond die gebruikt werd) en een potgrond natriumsulfaatmistgroep (de bodem die in een pot in de natriumsulfaatmistkooi stond, maar waar geen plant in stond). Ook is het zwavelpercentage van de bodem, stengels en wortels en het sulfaatpercentage van de bodem gemeten om te onderzoeken of de mist tot een verzilte bodem leidt en of de wortels natriumsulfaat opnemen. Verder is het effect van de mist op de lichtintensiteit bij bepaalde hoogten en spectra gemeten om het effect van mist op de fotosynthese van de maïsplanten te bepalen. Tot slot zijn statistische testen gedaan op een deel van de resultaten, om te bepalen of er significante verschillen waargenomen zijn.
Uiterlijke kenmerken, lengte en vers- en drooggewicht planten
Na het oogsten, wordt de lengte van de maïsplanten gemeten en worden de uiterlijke kenmerken genoteerd. De stengel van de planten wordt gescheiden van de wortels waarna het versgewicht van de stengels wordt bepaald. De wortels worden van aarde ontdaan en gewassen, waarna de wortels en stengels 18 uur gedroogd worden bij 70°C. Het drooggewicht van zowel de stengels als de wortels wordt daarna bepaald. Aan de hand van deze resultaten wordt het vochtpercentage van de stengels bepaald.
Zwavelpercentage
Van de bodem, de stengels en de wortels van de planten wordt het zwavelpercentage bepaald door ze te vermalen en homogeniseren in een Ultra Centrifuge Mill (ZM 200). De monsters worden daarna gedroogd bij 70°C gedurende 48 uur, en met een element analyzer (Elementarvario El Cube) geanalyseerd. Hierbij wordt het zwavel-, stikstof- en koolstofpercentage bepaald.
Sulfaatconcentratie
De sulfaatconcentratie in de bodem wordt bepaald door 10 gram monster af te wegen en aan 200 mL demiwater toe te voegen. De oplossingen worden 40 minuten gecentrifugeerd (Herolab HiCen 21C) bij 13.000 rpm en daarna gefiltreerd onder vacuüm met een membraan filter (Watman ME24, 0,2 µm). Vervolgens wordt de sulfaatconcentratie van de oplossing bepaald. Het vochtpercentage van de bodem wordt bepaald door de bodem te laten drog en gedurende 72 uur bij 70°C.
15
Lichtmeting
Om de verandering in lichtdoorlatendheid in de mist en natriumsulfaatmist te bepalen, worden verschillende lichtmetingen gedaan met een meetopstelling zoals weergegeven in figuur 9. Eerst wordt de lichtdoorlatendheid gemeten in de kooi zonder dat de vernevelaar aan staat, daarna wordt de vernevelaar aangezet, waardoor na enige tijd een constante mistdikte ontstaat. Wanneer de lichtdoorlatendheid hier constant is, wordt de vernevelaar uitgezet en de lichtdoorlatendheid gemeten totdat deze weer een constante waarde heeft. De meting in de mist wordt met sensor 1; Voltcraft M-4660M gedaan en de meting in de natriumsulfaatmist met sensor 2; de tabletapplicatie Physics Toolbox Suite op een Asus 7 inch Android tablet. Daarbij wordt de verandering in lichtintensiteit gemeten bij het kunstmatige licht van de kooien waarin dit onderzoek gedaan wordt. Dit licht wordt verder wit licht genoemd. Ook worden rood en blauw licht onderzocht. Dit zijn namelijk de lichtfrequenties die de plant het meeste gebruikt voor fotosynthese (Hulst, van der, 1957). De metingen met rood en blauw licht worden gedaan door een rood of blauw filter op de sensoren te leggen en het witte licht hier op te laten schijnen. Deze filters zijn plastic mapjes. De metingen worden op verschillende hoogten (5,8 en 26 cm) gedaan.
Figuur 9. Schematische weergave van het zijaanzicht van de kooi in de licht-meetopstelling.
Analysemethoden: Statistiek
Met een ANOVA-analyse wordt bepaald of de datapunten van verschillende groepen significant verschillen. Als dit het geval is, wordt met een post-hoc Tukey HSD toets vastgesteld welke groepen significant van elkaar verschillen. Er is besloten om een p-waarde < 0,05 als significant te beschouwen, omdat per groep maar een beperkt aantal metingen is gedaan, maar de p-waarde < 0,1 is ook aangegeven. Voor deze statistische berekeningen is de editor R-studio (R-Core team, 2013) gebruikt.
16
Resultaten
Uiterlijke kenmerken van de planten
Ten opzichte van de controlegroep zonder mist hebben de planten in de beide mistgroepen slappere bladeren en stengels en alleen in de natriumsulfaatmistgroep vaker gespleten en verdorde bladpunten. In de controlegroep zonder mist en in de natriumsulfaatmistgroep is één plant veel korter dan de rest van de planten (zie bijlage ‘Uiterlijke kenmerken en plantlengte’).
Plantlengte
In figuur 10 wordt de lengte van de stengels van de maïsplanten weergegeven. NSM staat hier voor natriumsulfaatmist. Er is geen significant verschil gevonden tussen de gemiddelden van de groepen (p = 0,723).
Figuur 10. De gemiddelde lengte van de stengels van de maïsplanten in de controlegroep zonder mist, met mist en met natriumsulfaatmist (NSM).De maxima, minima, gemiddelden en de percentielen zijn weergegeven.
Vers- en drooggewicht
In figuur 11, 12 en 13 worden het vers- en drooggewicht van de stengels en het drooggewicht van de wortels van de maïsplanten weergegeven. In alle gevallen is er geen significant verschil tussen de gemiddelden van de groepen waargenomen (resp. p = 0,374, p = 0,251 en p = 0,63). De resultaten laten de trend zien dat het versgewicht en het drooggewicht van de stengels bij de mistgroepen lager is dan de controle groep en het laagst bij de natriumsulfaatgroep. Het drooggewicht van de controlegroep is 2,3 keer zo groot als het gewicht van de natriumsulfaatmist groep en 1,6 keer zo groot als bij de mistgroep. Voor de wortels zou ongeveer hetzelfde verwacht worden, maar dit is minder duidelijk zichtbaar. Ook is uit het verschil tussen het vers- en drooggewicht het vochtpercentage van de stengels bepaald. Het
17 vochtpercentage is overal ongeveer gelijk, namelijk 92,6; 92,3 en 92,9 % in respectievelijk de controle-, demiwatermist en natriumsulfaatmistgroep.
Figuur 11. Het versgewicht van de stengels in de controlegroep zonder mist, met mist en met natriumsulfaatmist (NSM). De maxima, minima, gemiddelden en de percentielen zijn weergegeven.
Figuur 12. Het drooggewicht van de stengels in de controlegroep zonder mist, met mist en met natriumsulfaatmist (NSM). De maxima, minima, gemiddelden en de percentielen zijn weergegeven.
Figuur 13. Het drooggewicht van de wortels in de controlegroep zonder mist, met mist en met natriumsulfaatmist (NSM). De maxima, minima, gemiddelden en de percentielen zijn weergegeven.
18 In figuur 12 wordt het vochtpercentage van de bodem in de verschillende groepen weergegeven. De controlegroep is 2,2 keer zo vochtig als de natriumsulfaatmistgroep, 2,7 keer als de mistgroep, 3,8 keer als de potgrond controlegroep en 4,4 keer als de potgrond natriumsulfaatmistgroep.
Figuur 14. Het vochtpercentage in de bodem in de potgrond controlegroep (zonder plant), de controlegroep, de mistgroep, de natriumsulfaatmistgroep (NSM) en de potgrond natriumsulfaatmistgroep (Potgrond NSM, zonder plant).
Zwavelpercentage
In de bodem
In figuur 13 is te zien dat het zwavelpercentage in de bodem het hoogst is in de bodem van de natriumsulfaatmistgroep. Dit is 2,3 keer zo hoog als in de controlegroep, 2,4 keer als in de mistgroep, 1,6 keer als in de potgrond controlegroep (zonder plant) en 1,2 keer als in de potgrond natriumsulfaatmistgroep (zonder plant). De verschillen in de gemiddelde waardes zijn geanalyseerd. De natriumsulfaatgroep verschilt significant van de controlegroep (p = 0,0025 < 0,05) en de mistgroep (p = 0,0021 < 0,05). De potgrond natriumsulfaatmistgroep verschilt significant van de controlegroep (p = 0,0118 < 0,05) en de mistgroep (p = 0,0096 < 0,05). De potgrond controlegroep verschilt alleen significant van de natriumsulfaatmistgroep (p = 0,0131 < 0,05). 0 10 20 30 40 Potgrond controle
Controle Mist NSM Potgrond NSM
Vochtpercentage in de bodem
19 Figuur 15. Het zwavelpercentage in de bodem in de potgrond controlegroep (zonder plant), de controlegroep, de mistgroep, de natriumsulfaatmistgroep (NSM) en de potgrond natriumsulfaatmistgroep (Potgrond NSM, zonder plant).
De standaarddeviatie is weergegeven.
In de stengel
In figuur 14 is te zien dat het zwavelpercentage in de stengel van de plant in de controleconditie 1,6 keer hoger is dan in de mistconditie en 1,9 keer dan in de natriumsulfaatmistconditie. Het verschil tussen de gemiddelden van de controleconditie en natriumsulfaatmistconditie verschilt significant (p = 0,080< 0,05).
Figuur 16. Het zwavelpercentage in de stengel in de controlegroep zonder mist, met mist en met natriumsulfaatmist (NSM).De standaarddeviatie is weergegeven.
In de wortels
In figuur 15 is te zien dat het zwavelpercentage in de wortels in de controleconditie 1,2 keer zo groot is als in de mistconditie en 1,3 keer als in de natriumsulfaatmistconditie. Het verschil tussen de gemiddelden van de controleconditie en natriumsulfaatmistconditie verschilt significant (p = 0,072< 0,05). 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Potgrond controle
Controle Mist NSM Potgrond (NSM) Zw ave l ( % )
Zwavelpercentage in de bodem
0 0.2 0.4 0.6 0.8 Controle Mist NSM Zw ave l ( % )Zwavelpercentage in de stengel
20 Figuur 17. Het zwavelpercentage in de stengel in de controlegroep zonder mist, met mist en met natriumsulfaatmist
(NSM). De standaarddeviatie is weergegeven.
Het zwavelpercentage van de stengels en de wortels is in de beide mistcondities lager dan in de controleconditie. Deze trend is niet zichtbaar in het stikstof- en koolstofpercentage.
Sulfaat-zwavelpercentage in de bodem
De sulfaatconcentratie van de verschillende bodemcondities is vastgesteld. Dit is omgezet naar zwavelpercentage in sulfaat. In figuur 16 wordt het percentage sulfaat-zwavel van de totale hoeveelheid zwavel weergegeven. Dit is het percentage zwavel in sulfaat van de totale hoeveelheid zwavel. Te zien is dat de bodem van de natriumsulfaatmistgroep het laagste sulfaat in zwavel percentage heeft. Het sulfaat-zwavelpercentage (%) van de totale hoeveelheid zwavel (%) is in de bodem van de controlegroep 3,2 keer hoger dan in de natriumsulfaatmistgroep, 1,2 keer hoger dan de mistgroep, 1,9 keer hoger dan de potgrond controlegroep en 7,5 keer hoger dan in de natriumsulfaatmistgroep zonder plant.
Figuur 18.Het percentage sulfaat-zwavel (%) van de totale zwavel (%) in de bodem in de potgrond controlegroep (zonder plant), de controlegroep, de mistgroep, de natriumsulfaatmistgroep (NSM) en de potgrond natriumsulfaatmistgroep
(Potgrond NSM, zonder plant).
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Controle Mist NSM Zw ave l ( % )
Zwavelpercentage in de
wortels
0 5 10 15 20 25 Potgrond controleControle Mist NSM Potgrond NSM Pe rc e n ta ge s u lf aa t-zw ave l ( % ) va n z w av e l t o ta al (% )
Sulfaat-zwavelpercentage in de
bodem
21
Lichtmetingen
Figuur 17 geeft het verloop van de lichtdoorlatendheid weer wanneer de mistmachine wordt aangezet.
Figuur 19. De y-as geeft de lichtintensiteit weer en de x-as de tijd. In zone A is de mistmachine nog niet aangezet en is de mistdikte 0 cm. In zone B is de mistdikte maximaal voor de opstelling en de lichtdoorlatendheid minimaal . In zone C is
de mistmachine uitgezet en vormt de mist condens aan de binnenkant van de kooi.
In tabel 1 wordt het percentage doorgelaten wit, rood en blauw licht weergegeven dat de sensor bereikt bij mist met en zonder natriumsulfaat. In zone A staat de vernevelaar niet aan en is de lichtdoorlatendheid 100%. Na zone A gaat de vernevelaar aan, totdat een constante lichtdoorlatendheid wordt gemeten. Dit is zone B. Hierbij is de dikte van mist maximaal en de lichtdoorlatendheid minimaal. Te zien is dat in de mistconditie de lichtdoorlatendheid in zone B ongeveer even groot is bij wit, rood en blauw licht: het verschil is slechts 1,6-1,8%. In de natriumsulfaatmistconditie is het verschil tussen wit en blauw licht 2,8% en tussen wit en rood licht 7,3%. De lichtdoorlatendheid van natriumsulfaatmist is daarnaast 2,4 keer lager in punt B dan de lichtdoorlatendheid van mist. Na zone B gaat de mistmachine uit en wordt de lichtdoorlatendheid gemeten totdat deze weer een constante waarde bereikt. Hierbij zijn bij de natriumsulfaatmistconditie grotere verschillen (10,6% maximaal verschil) te zien tussen de kleuren dan in de mistconditie (4,5% maximaal verschil). Daarnaast is de lichtdoorlatendheid in zone C bij de mistconditie 1,4 keer groter dan de natriumsulfaatmistconditie.
22 Tabel 1. Het percentage doorgelaten wit-, rood- en blauw licht dat de sensor bereikt bij een mistdikte van 0 cm (A),
maximaal (B) en bij condensvorming (C).
sensor 1: Lichtdoorlatendheid (%) van mist
A (%) B (%) C (%)
Meting wit licht 100,0 85,8 96,1
Meting rood licht 100,0 84,2 91,6
Meting blauw licht 100,0 84,0 92,9
sensor 2: Lichtdoorlatendheid (%) van natriumsulfaatmist
A (%) B (%) C (%)
Meting wit licht 100,0 38,9 71,7
Meting rood licht 100,0 31,6 61,1
Meting blauw licht 100,0 36,1 68,7
Op basis van de wet van Lambert-Beer (formule 4) is de absorptiecoëfficiënt(𝛼) van wit, rood en blauw licht in demiwatermist en natriumsulfaatmist in de kooien vastgesteld (zie tabel 2). De lichtdoorlatendheid van natriumsulfaatmist heeft bij wit, rood en blauw licht een grotere absorptiecoëfficiënt, waarbij de absorptiecoëfficiënt bij het rode licht het grootst is. Op basis van deze gegevens is berekend dat bij een natriumsulfaatmistlaag van één meter nog maar 93% wit licht doorgelaten worden.
Tabel 2. Absorptiecoëfficiënt voor demiwatermist en natriumsulfaatmist; de afname per centimeter.
α Wit licht Rood licht Blauw licht
Demiwatermist 0,004 0,005 0,005
23
Discussie
In dit onderzoek is het effect onderzocht van natriumsulfaatmist op de groei van de maïsplant door middel van metingen met vier maïsplanten per conditie. Door deze kleine populatie wordt de statistische power van de onderzoeksresultaten beperkt en zijn nulhypothesen niet te verwerpen of aan te nemen. Hoewel de meetresultaten van verschillende groepen volgens de uitgevoerde berekeningen significant verschillen, geven ook deze resultaten vanwege de kleine onderzoekspopulatie alleen een indicatie of trend weer. Herhaling van het onderzoek met een grotere onderzoekspopulatie kan uitwijzen of de resultaten daadwerkelijk significant zijn.
De bladeren van de maïsplanten in de natriumsulfaatgroep vertonen zoals verwacht vaker bladsterfte. Volgens McCune (1991), Moyer et al. (1950) en Gauch & Wadleigh (1944) wordt deze bladsterfte veroorzaakt door een ophoping van natriumionen in de bladpunten. Het zwavelpercentage van de stengel van de plant blijkt echter juist veel lager te zijn in de natriumsulfaatgroep dan in de controlegroep. Dit betekent dat van het natriumsulfaatzout het natrium ophoopt in de bladeren en dat de plant op onbekende wijze sulfaationen uitscheidt. De concentratie natriumionen is in dit onderzoek echter niet gemeten, dus valt dit niet met zekerheid te stellen.
In eerder onderzoek naar natriumsulfaat in de bodem en waterculturen is een negatief effect op het vers- en drooggewicht van maïsplanten waargenomen (Eaton, 1942). Ook is bekend dat zwavelzuurmist een sterker negatief effect heeft op planten dan zwavelzuurregen (Hindawi et al., 1980; Cape, 1993). De verwachting was dat het vers- en drooggewicht van de maïsplanten in de mistcondities lager zouden zijn dan in de controlecondities en dat het vers- en drooggewicht in de natriumsulfaatmistconditie het laagst zouden zijn. In de resultaten is deze trend in lager vers- en drooggewicht zichtbaar.
Volgens Dieleman (2008) zorgt mist voor een toegenomen turgor in de cellen van de plant en daardoor voor een grotere lengte van de plant. Dit is echter niet waargenomen in dit onderzoek. Een andere aanwijzing voor toegenomen turgor is een groter verschil in vers - en drooggewicht bij de maïsplanten in de natriumsulfaatmistconditie dan in de controleconditie, maar ook dit is niet waargenomen. Het is dus onwaarschijnlijk is dat mist en natriumsulfaatmist voor een toegenomen turgor in maïsplanten hebben gezorgd. Wel is waargenomen dat de stengels van de planten slapper waren in de natriumsulfaatmistconditie en vaker omvielen. Het zou kunnen dat de cellen in de mistcondities minder stevig zijn en dat de turgor juist kleiner is.
24 Uit dit onderzoek blijkt dat natriumsulfaatmist bladsterfte en slapper e stengels van maïsplanten veroorzaakt en dat het een negatief effect heeft op het vers- en drooggewicht van maïsplanten. Onderzocht is of dit verband houdt met het vochtgehalte in de bodem, het zwavelpercentage in de plant en de bodem, het sulfaatpercentage in de bodem en de lichtdoorlatendheid van de natriumsulfaatmist.
Het vochtgehalte in de bodem van de controlegroep is hoger dan het vochtgehalte in de bodem van beide mistgroepen met plant. Dit verschil wordt verklaard door de watertoediening bij de controlegroep. Het verschil in vochtgehalte in de bodem van de mistgroep en de natriumsulfaatgroep met plant kan wellicht verklaren dat de stengels in de mistcondities slapper zijn dan in de controleconditie. Het verschil in vochtgehalte in de bodem is echter niet groot genoeg om het verschil tussen vers- en drooggewicht bij de mistgroepen volledig te kunnen verklaren.
Het zwavelpercentage in de bodem van de natriumsulfaatmistgroep met plant is hoger dan de concentraties van de mist- en de controlegroep met plant. Het zwavelpercentage in de bodem van de natriumsulfaatmist met plant is hoger dan zonder plant. Dit zou te verklaren zijn doordat er minder bodemoppervlakte is waar de mist kan neerslaan, doordat de plant in de pot staat en ruimte inneemt. Het zwavelpercentage in de stengel van de maïsplant is in de natriumsulfaatmistgroep lager dan in de controlegroep en de mistgroep. De natriumsulfaatmist veroorzaakt een hogere zwavelconcentratie in de bodem en een lagere zwavelconcentratie in de stengels en wortels. Er is echter geen significant verschil in zwavelconcentratie in de stengels gevonden tussen de verschillende mistcondities.
Het sulfaat-zwavelpercentage van de totale hoeveelheid zwavel (%) is in de bodem van de controlegroep hoger dan in de natriumsulfaatmistgroep met plant en veel hoger in de natriumsulfaatmistgroep zonder plant. Een mogelijke verklaring voor dit afwijkende sulfaat-zwavelpercentage in de bodem is immobilisatie van sulfaat door micro-organismen. Bij dit onderzoek zou er ook sprake kunnen zijn geweest van uitspoeling in de bodem, maar de mate hiervan is gering, er is geen uitspoeling waargenomen bij het onderzoek en door de mist was er ook zeker geen sprake van grote doorstroom.
Uit de lichtmetingen blijkt dat de lichtdoorlatendheid door mist, zoals verwacht, afneemt. Wanneer de vernevelaars voor enige tijd aan staan, ontstaat een stabiele lichtintensiteit in de kooien. Verder is de lichtdoorlatendheid van natriumsulfaatmist bij een maximale mistdikte veel lager dan de lichtdoorlatendheid van demiwatermist. Dit verschil is zo groot dat de afname van lichtintensiteit waarschijnlijk niet alleen door verstrooiing kan zijn
25 veroorzaakt. Doordat de mistdichtheid in de kooien niet gemeten is, is er waarschijnlijk een verschil in mistdichtheid tussen de twee condities ontstaan. De natriumsulfaatmistconditie had hierbij een dichtere mistlaag dan de demiwatermistconditie.
De kleur van het licht heeft geen effect op de lichtdoorlatendheid van de demiwatermist, maar wel op de natriumsulfaatmist. Bij wit licht werd de hoogste doorlatendheid gevonden, daarna blauw en tot slot rood. Natriumsulfaatmist zou minder rood dan blauw licht kunnen doorlaten ten opzichte van gewone mist waar vrijwel geen verschil gevonden is. Aangezien rood en blauw licht gebruik t wordt bij de fotosynthese (Hulst, van der, 1957) is het waarschijnlijk dat in de bladeren van de planten in de natriumsulfaatmistgroep minder fotosynthese plaatsvindt. Dit zou een negatief effect hebben op de groei van de maïsplant. Hierbij moet in acht worden genomen dat de lichtdoorlatendheid van natriumsulfaatmist een veel sterkere afname had dan bij mist, waardoor het verschil tussen de kleuren bij de natriumsulfaatmist groter kan lijken.
Op basis van de lichtdoorlatendheid van de demiwater- en natriumsulfaatmist en de wet van Lambert-Beer zijn de formules bepaald waarmee berekend kan worden hoeveel licht wordt doorgelaten bij mist van een gegeven dikte. Dit verband is exponentieel en bij een natriumsulfaatmistlaag van één meter zou nog maar weinig wit licht doorgelaten worden.
26
Conclusie
Onderzocht is wat het effect is van natriumsulfaatmist op de groei van maïsplanten. Natriumsulfaatmist blijkt te zorgen voor bladsterfte, slappere stengels en een lager vers - en drooggewicht. De slappere stengels worden mogelijk veroorzaakt door een lager vochtgehalte in de bodem in mistige condities.Hoewel het zwavelpercentage in de bodem van de natriumsulfaatmistconditie hoger is, is het zwavelpercentage in de plant juist lager. Het negatieve effect van natriumsulfaatmist op het vers- en drooggewicht van maïsplanten wordt dus niet verklaard door een hoger zwavelpercentage. De lagere lichtdoorlatendheid van mist met natriumsulfaat is wel een verklaring voor het lagere vers- en drooggewicht van de maïsplanten. Ook wordt minder rood en blauw licht doorgelaten, waardoor het kan dat er minder fotosynthese plaatsvindt.
Als er door een vulkaanuitbarsting of industriële processen natriumsulfaatmist vrijkomt, heeft dit zeer waarschijnlijk een negatief effect op de maïsoogst. De mistlaag hoeft maar één meter dik te zijn om 93% van het licht tegen te houden. Bij maïs zal bladsterfte optreden en de maïsplant zal een lager vers- en drooggewicht hebben. Het is daarom van belang om het effect van natriumsulfaat in de atmosfeer op het milieu in het algemeen en de oogst in het bijzonder verder te onderzoeken.
27
Vervolgonderzoek
Dit onderzoek zou als beginpunt van vervolgonderzoek gebruikt kunnen worden omdat het wel aanwijzingen voor negatief effect van natriumsulfaatmist op de groei van maïsplanten levert, maar geen sluitend bewijs. Het vervolgonderzoek zou zich kunnen richten op het bevestigen en verklaren van de lagere zwavelconcentratie in de plant en de lagere sulfaatconcentratie in de bodem. Ook kan worden onderzocht of de slappere stengels worden veroorzaakt door een lager vochtgehalte in de mistcondities of dat dit wellicht veroorzaakt wordt door een lagere zoutconcentratie.
De validiteit van het vervolgonderzoek kan worden vergroot door een aantal maatregelen te nemen. De vernevelaars van Contronics die gebruikt zijn in dit onderzoek, worden vooral gebruikt in grotere kassen. Hierbij wordt gebruikgemaakt van een feedback loop waarbij data-analysesystemen continu de mistdichtheid en de nutriëntenconcentratie controleren. In deze onderzoeksopstelling was dit door een tekort aan tijd, materiaal en ruimte niet mogelijk. Doordat er twee vernevelaars zijn gebruikt, is het waarschijnlijk dat de mistdichtheid per groep verschilde en dat de natriumsulfaatconcentratie in de natriumsulfaatmistconditie over de tijd varieerde. De mistdichtheid en blaaskracht van de mistmachine was namelijk niet exact in te stellen en dit kan de lichtdoorlatendheid hebben beïnvloed. In vervolgonderzoek is het daarom aan te raden gebruik te maken van grotere kooien en een feedback loop zodat de mistdichtheid en natriumsulfaatconcentratie gelijk zijn. Een bijkomend voordeel van grotere kooien is dat er meer ruimte is voor planten zodat de statistische power vergroot kan worden door een grotere onderzoekspopulatie.
In dit onderzoek is niet consequent op dezelfde dag dezelfde hoeveelheid water aan de controlegroep gegeven. Ook is per abuis kraanwater in plaats van demiwater gebruikt bij het water geven van de controlegroep en is de mist tussendoor eenmaal 10 minuten extra aangezet.
Er wordt minder rood dan blauw licht doorgelaten door natriumsulfaatmist. In vervolgonderzoek zou het gehele kleurenspectrum onderzocht kunnen worden. Op deze manier zou bepaald kunnen worden of licht met een kleinere golflengte en een hogere energie ook minder wordt doorgelaten door natriumsulfaatmist.
Het lichtonderzoek zou consequenter aangepakt kunnen worden door het ijken van de meetapparatuur en de mistmachines en slechts één meetapparaat voor de lichtdoorlatendheid te gebruiken.
28
Dankwoord
Hierbij bedanken wij het bedrijf ‘Contronics Engineering B.V.’, die dit onderzoek mede mogelijk heeft gemaakt. Verder bedanken wij dr. B. Andeweg, dhr . dr. ir. W. Bouten, dhr. dr. J.A.J. Breeuwer, dhr. dr. B. Jansen, dhr. L. Hoitinga, dhr. dr. M. Keestra, dhr. dr. J.H. van Maarseveen, L.L. Mulder, dhr. dr. J.R. Parsons, dhr. dr. R. Sprik en dhr L. Tikovsky.
29
Literatuurlijst
Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. (2008). Molecular Biology of
the Cell (5th ed.). Garland Science, New York, NY.
Aylmore, L. A. G., Karim, M., & Quirk, J. P. (1967). Adsorption and desorption of sulfate ions by soil constituents. Soil Science, 103(1), 10-15.
Bakker, J.C., 1993.
Zichtbare aanpassingen en onzichtbare. In: Luchtvochtigheid. Brochure 104. PTG, 24-25.
Bohren, C.F. & Huffman, D.R. (1983). Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley Interscience, New York.
Brand, E., Baars, A. J., Verbruggen, E. M. J., & Lijzen, J. P. A. (2008). Afleiding van
milieurisicogrenzen voor sulfaat in oppervlaktewater, grondwater, bodem en waterbodem. National Institute for Public Health and the Environment, Bilthoven, the Netherlands. RIVM Report, (711701069).
Cohan, D. S., Xu, J., Greenwald, R., Bergin, M. H., & Chameides, W. L. (2002). Impact of atmospheric aerosol light scattering and absorption on terrestrial net primary productivity. Global Biogeochemical Cycles, 16(4), 37-1.
Cornell University, Sweet Corn. Verkregen
via:http://www.gardening.cornell.edu/homegardening/scene05f6.html op 6-2-2015.
Correll, M. J., Wu, Y., & Weathers, P. J. (2000). Controlling hyperhydration of carnations (Dianthus caryophyllus L.) grown in a mist reactor. Biotechnology and bioengineering, 71(4), 307-314.
D'Arrigo, R., Frank, D., Jacoby, G., & Pederson, N. (2001). Spatial response to major volcanic events in or about AD 536, 934 and 1258: frost rings and other dendrochronological evidence from Mongolia and northern Siberia: comment on RB Stothers,‘Volcanic dry fogs, climate cooling, and plague pandemics in Europe and the Middle East’(Climatic Change, 42, 1999). Climatic Change, 49(1-2), 239-246.
Delp, R. Ideal Climate & Soil for Corn Growth, Demand media, SFGate. Verkregen
via:http://homeguides.sfgate.com/ideal-climate-soil-corn-growth-37426.html op 6-2-2015.
Dieleman, A. (2008) Effecten van luchtvochtigheid op groei en ontwikkeling van tomaat. Verkregen via http://edepot.wur.nl/19737 op 24-11-2014.Universiteit van Wageningen.
Eaton, F. M. (1942) Toxicity and accumulation of chloride and sulfate salts in plants. Journal of agricultural research, 64:7. 357-399.
Eriksen, J. (2005). Gross sulphur mineralisation–immobilisation turnover in soil amended with plant residues. Soil biology and Biochemistry, 37(12), 2216-2224.
30 Evans, L. S., & Raynor, G. S. (1976). Acid rain research program. Annual progress report,
September 1975--June 1976 (No. BNL-50575). Brookhaven National Lab., Upton, NY (USA). Gates, D. M., Keegan, H. J., Schleter, J. C., & Weidner, V. R. (1965). Spectral properties of plants. Applied optics, 4(1), 11-20.
Gauch, H.G. Wadleigh, C.H. (1944). Effects of High Salt Concentrations on Growth of Bean Plants. Botanical gazette, 105(3), 379-387.
Graham, R. L., Nelson, R., Sheehan, J., Perlack, R. D., & Wright, L. L. (2007). Current and potential US corn stover supplies. Agronomy Journal, 99(1), 1-11.
Hindawi, I. J., Rea, J. A., & Griffis, W. L. (1980). Response of bush bean exposed to acid mist. American Journal of Botany, 168-172.
Hulst, H.C. van der (1957). Light scattering by small particles. New York: John Wiley & Sons, Inc. (1981).
Lee, J. J., Neely, G. E., Perrigan, S. C., & Grothaus, L. C. (1981). Effect of simulated sulfuric acid rain on yield, growth and foliar injury of several crops.Environmental and Experimental Botany, 21(2), 171-185.
Lim, S., Lee, M., Kim, S. W., Yoon, S. C., Lee, G., & Lee, Y. J. (2014). Absorption and scattering properties of organic carbon versus sulfate dominant aerosols at Gosan climate observatory in Northeast Asia. Atmospheric Chemistry and Physics, 14(15), 7781-7793.
Madigan, M.T., J.M. Martinko, D.A. Stahl & D.P. Clark. 2012. Brock Biology of Microorganisms, 13 th edition. Benjamin Cummings, ISBN: 978-0-321-73551-5.
McCune, D.C. (1991). Effects of Airborne Saline Particles on Vegetation in Relation to Variables of Exposure and Other Factors. Environmental pollution, 74, 176-203.
Muthuchelian, K., Nedunchezhian, N., & Kulandaivelu, G. (1994). Acid rain: Acidic mist-induced response in growth and photosynthetic activities on crop plants. Archives of environmental contamination and toxicology, 26(4), 521-526.
Oppenheimer, C. (2003). Climatic, environmental and human consequences of the largest known historic eruption: Tambora volcano (Indonesia) 1815.Progress in physical geography, 27(2), 230-259.
Parida, A.K., Das, A. B. (2005). Salt tolerance and salinity effects on plants: a review. Ecotoxicology and Environmental Safety, 60, 324-349.
Rstudio version 3.0.0 (3013-03-04). R Core Team (2013). R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing, Vienna, Austria.
URLhttp://www.R-project.org/.
31 Sairam, R. K., Rao, K. V., & Srivastava, G. C. (2002). Differential response of wheat genotypes to long term salinity stress in relation to oxidative stress, antioxidant activity and osmolyte
concentration. Plant Science, 163(5), 1037-1046.
Stothers, R. B. (1999). Volcanic dry fogs, climate cooling, and plague pandemics in Europe and the Middle East. Climatic change, 42(4), 713-723.
Subbarao, G. V., Ito, O., Berry, W. L., & Wheeler, R. M. (2003). Sodium—a functional plant nutrient. Critical Reviews in Plant Sciences, 22(5), 391-416.
The Old Farmers Almanac, Corn (geen datum). Verkregen
via:http://www.almanac.com/plant/corn op 6-2-2015.
Warne, Guy, Rollins, Reid (1990). The effects of sodium sulphate and sodium chloride on growth, morphology, photosynthesis, and water use efficiency. Canadian Journal of Botany, 68(5): 999-1006
Wood, T. Bormann, F.H. (1974) The effects of an artificial acid mist upon the growth of Betula Alleghaniensis Britt. Environmental Pollution, 7, 259- 268.
Afbeeldingen
"SulfurCycle copy". Licensed under CC BY 3.0 via Wikipedia -
http://en.wikipedia.org/wiki/File:SulfurCycle_copy.jpg#mediaviewer/File:SulfurCycle_copy.jpg
“Silt-Sand-ClayTriangle copy”. Verkregen via s282.photobucket.com op 6-2-2015.
“Chlorophyll ab spectra”. Verkregen via commons.wikimedia.org gemaakt op 2-8-2012 -
32
Bijlage: foto's
Figuur 18 & 19. De controlegroep (links) en de mistgroep (rechts).
33
Figuur 21. Het meten en beschrijven van de maïsplanten na 19 dagen.
Figuur 22. De maïsplanten in de controlegroep (links) en de maïsplanten in de natriumsulfaatmistgroep (rechts).
34
Figuur 23. Het vermalen van de bodem, stengels en wortels.
35
Bijlage: meetgegevens
Uiterlijke kenmerken en plantlengte.
Sample titels labels NaSO4 S Bodem 001-004 2014/NSM/1 2014/NSM/1,gemalen,<0.2mm,CNS Bodem 011-014 2014/NSM/2 2014/NSM/2,gemalen,<0.2mm,CNS Bodem 021-024 2014/NSM/3 2014/NSM/3,gemalen,<0.2mm,CNS Bodem 025-026 2014/NSM/4 2014/NSM/4,gemalen,<0.2mm,CNS Bodem potgrond 2014/NSM/5 2014/NSM/5,gemalen,<0.2mm,CNS Maïsblad 001-004 X 2014/NSM/6,gemalen,<0.2mm,CNS Maïsblad 011-014 X 2014/NSM/7,gemalen,<0.2mm,CNS Maïsblad 021-024 X 2014/NSM/8,gemalen,<0.2mm,CNS Wortels 001-004 X 2014/NSM/9,gemalen,<0.2mm,CNS Wortels 011-014 X 2014/NSM/10,gemalen,<0.2mm,CNS Wortels 021-024 X 2014/NSM/11,gemalen,<0.2mm,CNS • Maïs 001-004: Bovengrondse deel maïsplanten buiten de kooi. • Maïs 011-014: Bovengrondse deel maïsplanten gewone mistkooi. • Maïs 021-024: Bovengrondse deel maïsplanten sulfaatmistkooi. • Wortels 001-004: Ondergrondse deel maïsplant buiten de kooi. • Wortels 011-014: Ondergrondse deel maïsplant gewone mistkooi. • Wortels 021-024: Ondergrondse deel maïsplant natriumsulfaatmistkooi. • Bodem 001-004: Potgrond van de maïsplanten buiten de kooi.
• Bodem 011-014: Potgrond van de maïsplanten gewone mistkooi. • Bodem 021-024: Potgrond van de maïsplanten natriumsulfaatmistkooi. • Bodem 025-026: Potgrond sulfaatmistkooi.
• Bodem potgrond: Potgrond los. Uiterlijke kenmerken en plantlengte
Kleur Lengte
(cm)
Bijzonderheden: Maïs
001
Lichte stengel, donkere bladeren aan uiteinden plant
11,5 30° schreef; 3 bladeren
Maïs 002
Lichte stengel, donkere bladeren aan uiteinden plant
50,5 15° schreef; 4 bladeren; klein beetje verdorde bladpunten en lichte rode striemen onderkant stengel
Maïs 003
Lichte stengel, donkere bladeren aan uiteinden plant
60,0 5° schreef; 5 bladeren
Maïs 004
Lichte stengel, donkere bladeren aan uiteinden plant
38,0 10° schreef; 4 bladeren
Maïs 011
Lichte stengel, donkere bladeren aan uiteinden plant
54,0 15° schreef; 4 bladeren; raakte de zijkant van de kooi, licht rode striemen
36
012 bladeren aan uiteinden plant
bladeren
Maïs 013
Lichte stengel, donkere bladeren aan uiteinden plant
47,5 33° schreef; 4 bladeren; raakte de zijkant, een gespleten bladpunt
Maïs 014
Lichte stengel, donkere bladeren aan uiteinden plant
31,0 10° schreef; 4 bladeren; iets slappere bladeren
Maïs 021
Lichte stengel, donkere bladpunten
26,0 5° schreef; 3 bladeren; een verdorde bladpunt
Maïs 022
Lichte stengel, donkere bladpunten
3,5 10° schreef; 3 bladeren; raakt zijkant kooi aan. Klein, witte onderkant stengel
Maïs 023
Lichte stengel, donkere bladpunten
54,5 85° schreef; 4 bladeren; raken zijkant kooi aan, slappen bladeren, rode striemen aan onderkant en een heftig verdorde bladpunt
Maïs 024
Lichte stengel, donkere bladpunten, licht zijkant bladeren
52,5 60° schreef; slappe bladeren en een klein beetje verdorde bladpunt
Vers- en drooggewicht
Stengels versgewicht Massa (g)
Maïs 001 0,257 Maïs 002 5,551 Maïs 003 7,604 Maïs 004 2,261 Maïs 011 3,329 Maïs 012 3,077 Maïs 013 2,225 Maïs 014 1,064 Maïs 021 0,863 Maïs 022 0,102 Maïs 023 2,999 Maïs 024 2,852
Stengels drooggewicht Massa (g)
Wortels drooggewicht Massa (g)
Maïs 001 0,084 Wortels 001 0,069 Maïs 002 0,386 Wortels 002 0,101 Maïs 003 0,512 Wortels 003 0,221
37 Maïs 004 0,181 Wortels 004 0,099 Maïs 011 0,257 Wortels 011 0,095 Maïs 012 0,24 Wortels 012 0,113 Maïs 013 0,177 Wortels 013 0,083 Maïs 014 0,068 Wortels 014 0,079 Maïs 021 0,066 Wortels 021 0,064 Maïs 022 0,011 Wortels 022 0,088 Maïs 023 0,214 Wortels 023 0,138 Maïs 024 0,192 Wortels 024 0,117
Sulfaatconcentratie
Monsters SO4: umol/l
2014/NSM/1 347,2 2014/NSM/2 457,2 2014/NSM/3 407,4 2014/NSM/4 158,7 2014/NSM/5 478,8
Vochtpercentage bodem
Monster Massa (g) vochtpercentage (%)
Potgrond controle 9,17 8,3 Controle 6,86 31,4 Mist 8,85 11,5 NSM 8,55 14,5 Potgrond NSM 9,28 7,2
38
Sulfaat-zwavel percentages
Bodem (groep) Zwavel in totaal
(%) Zwavel in sulfaat (%) Andere zwavelhoudende verbindingen (%) Percentage sulfaat-zwavel (%) van totale zwavel (%) Controle 0.225 0.043 0.182 19.1 Mist 0.215 0.0334 0.181 15.5 Natriumsulfaatmist 0.515 0.0311 0.484 6.04 Natriumsulfaatmist (potgrond) 0.430 0.0110 0.419 2.56 Controle (potgrond) 0.315 0.0323 0.283 10.3
Zwavelpercentages
lab code Stikstof (%) Koolstof (%) Zwavel (%)
2014/NSM/1 1,10 50,05 0,24 2014/NSM/1 1,05 49,63 0,21 2014/NSM/2 1,01 49,72 0,21 2014/NSM/2 0,98 49,71 0,22 2014/NSM/3 1,07 49,52 0,53 2014/NSM/3 1,09 49,05 0,50 2014/NSM/4 1,09 49,27 0,48 2014/NSM/4 1,04 48,78 0,38 2014/NSM/5 1,02 49,20 0,33 2014/NSM/5 1,00 49,27 0,30 2014/NSM/6 5,06 40,04 0,60 2014/NSM/6 5,18 39,82 0,73 2014/NSM/7 5,41 39,63 0,50 2014/NSM/7 5,28 39,37 0,32 2014/NSM/8 5,18 39,29 0,34 2014/NSM/8 5,15 39,17 0,36
39 2014/NSM/9 2,78 44,71 0,43 2014/NSM/9 2,85 44,75 0,42 2014/NSM/10 2,66 44,48 0,33 2014/NSM/10 2,70 44,71 0,39 2014/NSM/11 2,70 45,13 0,34 2014/NSM/11 2,75 45,36 0,31
Lichtdoorlatendheid
sensor 1: hoogteverschil meting
A B C
handmatige meting 0,309 0,266 0,297 hoogte 26 cm 0,309 0,274 0,294
sensor 2: hoogteverschil meting
aaa 5969,90 2321,40 4278,77 see 5545,48 3124,07 5178,88
Dikte mistbank (cm) doorlaatbaarheid (%)
35 86,0
17 88,7
38 38,9
