Hergebruik van fosfor uit organische afvalstromen in de landbouw - een experimentele analyse van de duurzaamheid

Jarenlange overbemesting van landbouwbodems met fosfor (P) heeft geleid tot een sterke toename van de bodem-P reserves. Deze historische overbemesting staat in schril contrast met de nakende schaarste in minerale P-bronnen, maar ook met de risico’s die gepaard gaan met verliezen van P naar de omgeving. Om de negatieve gevolgen van deze “historische P” op het milieu te beperken, hebben enkele regio’s recent hun bemestingsbeleid aangepast naar een negatieve jaarlijkse P balans voor overbemeste landbouwbodems; de historische P wordt op deze manier als het ware uitgemijnd. Hierbij is het van cruciaal belang dat een hoge biobeschikbaarheid van P voor gewassen gegarandeerd blijft. Het is echter geweten dat historisch toegediende P in bodems een lagere beschikbaarheid heeft dan vers toegevoegde P, wat geweten wordt aan verouderingsprocessen (“fixatie”) van P in bodems. Het is daarom nodig een accurate inschatting te maken van de langetermijnbeschikbaarheid van de historische P om zo een voldoende hoge bodemvruchtbaarheid te blijven garanderen tijdens P uitmijning. Deze thesis is gewijd aan het maken van een dergelijke inschatting, en beoogt hierbij specifiek na te gaan in welke mate bodem organische stof (BOS) of de bemestingsbron (mineraal of organisch) een effect hebben op de langetermijnbeschikbaarheid van deze P-reserves. De reden hiervoor is tweeledig: (1) vanuit een bodemchemisch standpunt wordt verwacht dat de hysterese die bij uitmijning zal optreden, minder uitgesproken is in bodems met een hoger gehalte aan BOS omdat deze in competitie kan treden met fosfaat (PO4) voor sorptiesites, wat verouderingsprocessen kan reduceren; (2) organisch P (Po), dat in het algemeen minder vatbaar is voor verouderingsprocessen dan anorganisch PO4, draagt potentieel significant bij aan de biobeschikbaarheid van P, vooral wanneer anorganische P beschikbaarheid verminderd is door uitmijning. Beide aspecten werden in deze thesis onderzocht.

Om de eventuele bijdrage van Po aan biobeschikbaarheid van P in bodems te evalueren, is de kwantificatie van netto Po mineralisatiesnelheden vereist. De detectie van deze mineralisatie in bodems is echter complex en wordt belemmerd door de snelle en sterke immobilisatie van het vrijgezette PO4. Om dit probleem te omzeilen, werden reeds verschillende methodes getest die gebruik maken van het principe van radio-isotoopverdunning, maar ook deze methodes blijven kampen met moeilijkheden om fysicochemische en biologische processen van elkaar te onderscheiden. In dit werk wordt een labelmethode getest die geen sterilisatie van bodems vereist, maar gebruik maakt van compartiment-modellering. Zes bodems met contrasterende P beschikbaarheid en BOS gehalte werden geïncubeerd met 32P en de isotoopverdunning werd opgevolgd in vijf verschillende biologisch en fysisch relevante P pools in de tijd. Met behulp van compartiment-modellering werden verschillende bodem-P modellen getest en onderling vergeleken voor hun potentieel om de dynamiek van P in bodems te beschrijven; deze modellen verschilden in het aantal P pools en in de transformaties die tussen de pools kunnen plaatsvinden. Het meest geschikte model werd gefit aan de data van het incubatie-experiment om zo bruto- en nettomineralisatiesnelheden in te schatten. De op deze manier bekomen biologische reactiesnelheden waren consistent kleiner dan de fysicochemische. De nettomineralisatiesnelheid van Po varieerde tussen de bodems van -0.26 tot +0.22 mg P kg-1 dag-1 en nam toe wanneer mais als bron van organische stof werd toegevoegd. De methode kampte echter met grote onzekerheden, voornamelijk op de biologische reacties, en geen van de nettosnelheden was significant verschillend van nul. Als alternatief wordt een nieuwe isotoopmethode voorgesteld waarbij – voor de eerste keer in bodems – gebruik gemaakt wordt van PO4 dat gelabeld is met zowel het stabiele zuurstof-18 isotoop (18O in PO4; 18Op) als het vaker gehanteerde 32P. Het lot van 18Op hangt af van het type reactie dat PO4 ondergaat, en kan daardoor gebruikt worden om fysicochemische en biologische processen van elkaar te onderscheiden. Met dit doel voor ogen werd een incubatie-experiment uitgevoerd waarbij een landbouwbodem, al dan niet gesteriliseerd, gespiked werd met 32P en 18Op (aan een dosis van ~ 5 mg PO4-P kg-1 droge bodem (DB)). De verdunning van beide isotopen door verschillende P transformatiereacties werd gedurende 50 dagen opgevolgd in de met hars extraheerbare P pool. De geleidelijke isotoopverdunning van 18Op was gelijkaardig aan die van 32P in gesteriliseerde bodems, wat de juistheid van de aannames bevestigt. Deze aannames zijn dat biologische reacties de verdunning van 18Op versterken ten opzichte van 32P doordat zuurstof wordt uitgewisseld met water; dat verschil versterkt wanneer de microbiële activiteit in de bodem gestimuleerd werd d.m.v. toediening van glutamaat. Met behulp van compartiment-modellering werd dit verschillend lot gebruikt om transformatiesnelheden van P in de niet-steriele bodem te kwantificeren zonder daarvoor data van de steriele bodem te gebruiken. De brutomineralisatie en -immobilisatie waren op deze manier marginaal detecteerbaar, terwijl de enkelvoudige isotoopmethode met sterilisatie onbetrouwbare resultaten opleverde. De snelheden van de biologische reacties werden beide geschat op ~0.9 mg P kg-1 dag-1, een factor 5 lager dan de overeenkomstige fysicochemische reactiesnelheden. De resulterende nettomineralisatiesnelheid van Po was laag en niet te onderscheiden van nul. Ondanks het potentieel van de dubbellabelmethode was de statistische onzekerheid op de reactiesnelheden echter nog steeds hoog. Samengevat blijft het detecteren van Po mineralisatie in bodems complex, zelfs met de twee voorgestelde alternatieve methodes. Desondanks worden de bekomen resultaten realistisch geacht; ze suggereren dat nettomineralisatie van Po in bodems kleiner is dan ingeschat door eerder gepubliceerde methodes, en eerder naar nul neigt.

In een tweede deel werd het effect van bodem organische koolstof (BOK) op verouderingsprocessen bestudeerd. De gedachte hierachter is dat BOK de onomkeerbare fixatie van P in bodems kan verminderen door sorptiesites voor P op sesquioxides te blokkeren. Om dit te onderzoeken, werd in eerste instantie een chemisch uitmijningsexperiment uitgevoerd, waarbij een uitgebreide collectie aan bodems werd onderworpen aan langdurige P desorptie met anionuitwisselingsmembranen als zero sink; deze collectie werd samengesteld uit zowel experimenteel behandelde bodems (veldproeven met minerale en organische bemesting, alsook incubatieproeven) als landbouwbodems met contrasterende eigenschappen. Een kinetisch twee-pool model werd gefit aan de cumulatieve P desorptie data, waardoor een inschatting gemaakt kon worden van een snelle (labiele) en totaal desorbeerbare P pool. In totaal kon er gemiddeld 42% van de P geassocieerd met amorfe ijzer(Fe)- en aluminium(Al)oxyhydroxiden (oxalaat-extraheerbare P; Pox) gedesorbeerd worden, en 25% van die fractie (zijnde 11% van de Pox) was labiel. Deze labiele P pool kwam goed overeen met de 24u isotopisch uitwisselbare P pool van deze bodems (R2 = 0.74). Zowel de snel als de totaal desorbeerbare P fractie (% Pox) waren groter bij een hogere fosforverzadigingsgraad (FVG) in de bodem. In bodems met een lage FVG (< 0.30) steeg de labiele fractie van Pox met de verhouding van BOK t.o.v. Feox en Alox (R2 = 0.70; p < 0.001), maar bodems met een hogere FVG vertoonden deze trend niet. Als mechanisme werd voorgesteld dat BOK moleculen effectief diffusie van P in microporiën kunnen voorkomen door zich uit te spreiden over het sorptie-oppervlak van reactieve bodemmineralen, waardoor veroudering van P verminderd wordt. In bodems met een hoge FVG, zoals er veel voorkomen in West-Europa, wordt deze uitspreiding van BOK moleculen mogelijks verhinderd door een gebrek aan beschikbare sorptiesites omwille van elektrostatische en competitieve effecten van het gesorbeerde PO4. In dergelijke bodems blijft de FVG de voornaamste bodemeigenschap om de variabiliteit in beschikbare P-fracties te verklaren. Gelijkaardige trends werden waargenomen in een versneld biologisch uitmijningsexperiment waarbij raaigras werd ingezet om (grotendeels dezelfde) bodems uit te mijnen. In een 15-maanden durend experiment werd de langetermijnbeschikbaarheid van P voor planten geëvalueerd op basis van zowel de adequate als de totale P opname. De bekomen resultaten werden vervolgens gerelateerd aan bodemeigenschappen, met specifieke aandacht voor het effect van BOK. De Pox fracties die plantbeschikbaar waren, namen toe met stijgende labiele fractie zoals bepaald in het chemische uitmijningsexperiment, alsook met stijgende verhouding van BOK t.o.v. Feox en Alox. Dit onderbouwde de hypothese dat een verhoogd gehalte aan BOK veroudering van P in bodems kan reduceren door diffusie van P in microporiën te voorkomen. Een vergelijking van beschikbare fracties in het biologische en het (steriele) chemische uitmijningsexperiment suggereerde dat Po geen significante bijdrage had aan de P-voorziening van de planten.

De bevindingen in dit werk suggereren dat de historische P in goed bemeste landbouwbodems zou volstaan als P-bron voor planten voor 12-175 jaar, afhankelijk van de bodem. Deze langetermijnbeschikbaarheid wordt positief beïnvloed door een verhoogd gehalte aan BOK; bijgevolg heeft historische P dus een hogere bemestingsefficiëntie in bodems met een hogere verhouding van BOK per eenheid Fe en Al. Dit positief effect is echter beperkt tot bodems die niet te sterk verzadigd zijn met P. Een significante bijdrage van organische P aan plantbeschikbaarheid kon niet worden bevestigd in het biologisch uitmijningsexperiment. Dit was in overeenstemming met de lage nettomineralisatiesnelheden die bekomen werden met beide compartimentmodellen die voorgesteld en getest werden in deze thesis. Vertaald naar het veld suggereren deze resultaten dat bodembeheer ter bevordering van BOK sekwestratie en bemesten met organische i.p.v. minerale meststoffen positieve gevolgen kunnen hebben op de beschikbaarheid van P in bodems, zolang de bodem niet te sterk verzadigd is met P.