Het belang van de uitspoeling van fosfor uit landbouwbodems voor de waterkwaliteit in Vlaanderen

In het verleden heeft de intensifiëring van landbouw gezorgd voor een overmatig gebruik van fosformeststoffen op landbouwbodems. De overtollige hoeveelheid fosfor (P) migreert traag naar het grondwater. Eutrofiëring wordt geïnduceerd indien P het oppervlaktewater bereikt. Hierdoor verliest de mens ook een schaarse grondstof. De huidige kennis stelt dat P-uitloging wordt vertraagd door de sorptie van orthofosfaat (PO4) anionen op ijzer- en aluminiumoxyhydroxiden (Fe- en Al-oxyhydroxiden) in de bodem. In kalkrijke of pH-neutrale bodems kunnen calciumfosfaten neerslaan. Het huidige concept voorspelt dat de mobiliteit van P gerelateerd is aan de mate van fosfaatverzadiging van de Fe- en Al-oxyhydroxiden (FVG) in niet-kalkrijke zandgronden. De sorptiesites zijn echter zelden verzadigd in de meeste Europese bodems. Hierdoor voorspelt het FVG-model slechts een zeer trage P-migratie.

Deze studie beoogde om de biogeochemische processen achter P-migratie in landbouwbodems beter te begrijpen en te kwantificeren. Het huidige FVG-model moest gevalideerd worden voor contrasterende bodems. Bovendien werd gefocust op drie factoren die nog niet in rekening gebracht werden: 1) colloïdaal gefaciliteerd P-transport, 2) anaëroob-geïnduceerde P-mobilisatie, en 3) de sorptiekinetiek van PO4.

Ten eerste werd het FVG-model bevestigd omdat de P-concentratie in het percolaat van 120 onverzadigde kolommen werd gecontroleerd door de sorptie van PO4 op Fe- en Al-oxyhydroxiden (hoofdstuk 2). De kolommen waren gevuld met landbouwbodems met contrasterende eigenschappen (waaronder pH-neutrale zandleem- en leembodems). De P-concentraties varieerden van 0,7 tot 240 µmol l-1 en namen toe met een toenemende verhouding van P ten opzichte van Fe en Al in zure oxalaatextracten van de bodems (d.w.z. met toenemende FVG). De P-concentraties stegen ook naarmate de PO4-distributiecoëfficiënt (zoals gemeten met een radioisotoop-experiment) afnam. Het huidige model werkt daarom ook voor pH-neutrale bodems met een zandleem- of leemtextuur.

Echter, de P-concentraties stegen ook met toenemende concentraties van Fe en Al in het percolaat. Dit waren zeer waarschijnlijk colloïdale Fe- en Al-oxyhydroxide partikels die PO4 sterk binden en zo de totale P-concentraties in het percolaat verhoogden. Een geochemisch model, dat de sorptie van PO4 door ferrihydriet beschrijft, werd toegepast om de gemeten P-concentraties te voorspellen. Het model beschreef de gemeten P-concentraties goed onder drie voorwaarden: indien het reactief PO4 werd beschreven door middel van het isotopisch uitwisselbaar PO4, indien organische anionen werden toegevoegd als de belangrijkste concurrerende adsorbentia en indien mobiel colloïdaal ferrihydriet werd toegevoegd. Het model onthulde dat de aanwezigheid van Fe- en Al-colloïden de P-concentraties tot een factor 50 verhoogden (in vergelijking met de afwezigheid van colloïden) bij een lage FVG en bij lage opgeloste calcium (Ca2+) concentraties. Een hoge Ca2+-concentratie zorgt namelijk voor flocculatie van de organische-stof-gestabiliseerde Fe- en Al-colloïden.

Een tweede afwijking van het FVG-concept werd gevonden in een Luvisol na 19 jaar toepassing van verschillende organische meststoffen (hoofdstuk vier). Fosfor migreerde hier dieper dan verwacht op basis van het FVG-model. Anaerobe respiratie vond plaats en mobiliseerde P en colloïden. Een sterke correlatie tussen ‘opgelost’ (< 0,45 µm) P en mangaan (Mn) in calciumchloride (CaCl2, 10-3 M) extracten en in situ poriewaterstalen zorgde voor deze ontdekking. De concentraties van beide elementen piekten in en onder de verdichte ploegzool, omwille van de combinatie van een hoog vochtgehalte met een hoog organisch koolstofgehalte (OC). Bodemincubaties bevestigden dat anaërobe respiratie Mn en colloïdaal P mobiliseert. De behandelingen met stalmest en onrijpe compost verhoogden, in vergelijking met de minerale N-behandeling, het ‘opgelost’ Mn, Fe en Al in de ondergrond. Behandelingen met stabielere composten zorgden niet voor dit effect. De bemesting met stalmest resulteerde in een P-aanrijking van de diepere lagen onder de ploeglaag, ondanks slechts een klein P-surplus in vergelijking met de andere behandelingen. Alle resultaten samen wijzen in de richting van P-mobilisatie door anaerobe respiratie in deze ogenschijnlijk goed gedraineerde bodem. Lange termijntoepassing van labiele organisch koolstof versterkt dit proces. Extra bodemkernen (57 in totaal) werden bemonsterd op contrasterende locaties (tot 160 cm diepte) om de rol van redox-gerelateerde P-mobilisatie op P-migratie te identificeren (hoofdstuk vijf). Extracten (10-3 M CaCl2) toonden aan dat de reductieve oplossing van Mn- en Fe-oxyhydroxiden algemeen plaatsvond en dat dit versterkt werd bij een lage pH en een hoog OC-gehalte. De resultaten toonden dat dit proces de oplosbare (<0,45 µm) Fe(III)- en Al-concentraties verhoogden (wat hoogstwaarschijnlijk colloïdale deeltjes waren) en dat deze op hun beurt de oplosbare P-concentraties verhoogden via PO4-binding. De verdeling van P in de diepte werd empirisch beschreven door middel van een sigmoïdale curve. In bemeste percelen werd aanrijking tot een diepte van 70 cm gedetecteerd. Fosfor migreerde dieper dan kan worden verklaard door een transportmodel dat uitgaat van niet-lineaire evenwichtssorptie. De hellingen van de FVG-diepte curves vertoonden meer dispersie met een toenemend OC-gehalte en een afnemende pH van de bovenste bodemlaag. Dit suggereert dat anaëroob-geïnduceerde P-mobilisatie de grote dispersie verklaart.

De derde afwijking is het het potentiële onevenwicht van PO4-sorptie (hoofdstuk drie). Een nieuw kinetisch model (Rate Constant Distribution model, RCD-model), dat uitgaat van frequentieverdelingen van zowel de adsorptie- als de desorptiesnelheidconstanten, werd ontwikkeld en vergeleken met andere kinetische modellen. De sorptie van radioactief gelabeld PO4 (33PO4) werd gemeten in geagiteerde suspensies van verschillende bodems en Fe-oxyhydroxiden tussen twee minuten en 20 dagen. Het RCD-model beschreef de data beter dan de andere geteste modellen. Vooral de langzame reacties, die plaatvonden tussen één en 20 dagen na toediening, werden beter gemodelleerd. De sorptie van PO4 op ferrihydriet en op bodems met een hoge verhouding van nanokristallijn Fe ten opzichte van totaal Fe stopte niet binnen 20 dagen. Het gebrek aan evenwicht kan dus een bron van fouten zijn voor evenwichtsmodellen.

Ten slotte bevestigt deze studie dat de interactie tussen PO4 en Fe- en Al-oxyhydroxiden, en dus de fosfaatverzadigingsgraad, cruciaal is om de mobiliteit van P in bemeste bodems te begrijpen. Deze interactie is echter dynamischer dan eerder gedacht en gemodelleerd: 1) De PO4-sorberende Fe- en Al-oxyhydroxiden kunnen loskomen van de vaste fase en als mobiele colloïden het verticaal PO4-transport versnellen; 2) Fosfaatsorptie op Fe- en Al-oxyhydroxiden gebeurt niet onmiddellijk en 3) Reductieve oplossing van Mn- en Fe-oxyhydroxiden leidt tot de mobilisatie van P, zelfs in de onverzadigde zone van bodems, boven de grondwatertafel. Modellen die erin slagen deze dynamische interacties te incorporeren zullen een beter inzicht bieden in het lot van P in landbouwbodems.