Executive Summary
– Bodemverzuring is een natuurlijk proces in omgevingen met veel neerslag waar uitspoeling de bodem na verloop van tijd langzaam doet verzuren.
– Intensieve landbouw kan de bodemverzuring versnellen door vele processen – verhoogde uitspoeling, toevoeging van meststoffen, verwijdering van producten en opbouw van organische stof in de bodem.
– Van alle belangrijke meststofnutriënten is stikstof de belangrijkste nutriënt die de pH van de bodem beïnvloedt, en de bodem kan zuurder of alkalischer worden, afhankelijk van het type stikstofmeststof dat wordt gebruikt.
– Nitraathoudende producten verzuren het minst van alle stikstofhoudende meststoffen, terwijl ammoniumhoudende producten de bodem het meest kunnen verzuren.
– De verzuring van de bodem door het gebruik van fosfaatmeststoffen is gering in vergelijking met die door het gebruik van stikstof, omdat van deze nutriënt kleinere hoeveelheden worden gebruikt en de verzuring per kg fosfor geringer is. Fosforzuur is de meest verzurende fosfaatmeststof.
-Kaliummeststoffen hebben weinig of geen effect op de pH van de bodem.
Achtergrond
Bodemverzuring is een wijdverbreid natuurlijk verschijnsel in regio’s met gemiddelde tot hoge neerslaghoeveelheden, en landbouwproductiesystemen kunnen de bodemverzuring versnellen door verstoring van de natuurlijke cycli van stikstof (N), fosfor (P) en zwavel (S) in de bodem, door verwijdering van landbouwproducten van het land, en door toevoeging van meststoffen en bodemverbeteraars die de bodem ofwel verzuren ofwel alkalischer kunnen maken (Kennedy 1986). Veranderingen in de pH-waarde van de bodem kunnen voordelig of nadelig zijn, afhankelijk van de uitgangs-pH van de bodem en de richting en snelheid van de pH-verandering – zo kan bijvoorbeeld een verlaging van de pH-waarde van de bodem in alkalische bodems gunstig zijn voor de gewasproductie vanwege de voordelen op het stuk van de beschikbaarheid van P en micronutriënten zoals zink (Zn) (Mitchell et al. 1952). Anderzijds kan een daling van de pH-waarde van een zeer zure bodem nadelig zijn, omdat de gewassen dan gevoeliger worden voor toxiciteit als gevolg van een verhoogde oplosbaarheid van aluminium (Al) of mangaan (Mn) naarmate de pH-waarde van de bodem daalt (Wright 1989).
Kernprocessen en oorzaken van veranderingen in bodem-pH in landbouwsystemen worden hieronder beschreven.
Meststofgebruik
Gebruik van minerale of organische meststoffen in de landbouw verhoogt de toevoer van nutriënten naar de bodem, en de vorm waarin de nutriënten worden toegediend en hun lot in het bodem/plantsysteem bepalen de algemene effecten op de bodem-pH. Macronutriënten (N, P, kalium (K), en S) hebben de belangrijkste effecten op de pH, aangezien zij in veel grotere hoeveelheden aan de bodem worden toegevoegd dan micronutriënten.
Stikstof
De vorm van N en het lot van N in het bodem-plantensysteem is waarschijnlijk de belangrijkste motor van veranderingen in de pH van de bodem in landbouwsystemen.
Stikstof kan in vele vormen aan de bodem worden toegevoegd, maar de meest gebruikte vormen van kunstmest N zijn ureum (CO(NH₂)₂), monoammoniumfosfaat (NH₄H₂PO₄), diammoniumfosfaat ((NH₄)₂HPO₄), ammoniumnitraat (NH₄NO₃), calciumammoniumnitraat (CaCO₃+NH₄(NO₃)) ammoniumsulfaat ((NH₄)₂SO₄), ureum-ammoniumnitraat (een mengsel van ureum en ammoniumnitraat) en ammoniumpolyfosfaat (n).
De belangrijkste moleculen van N in termen van veranderingen in de pH-waarde van de bodem zijn het ongeladen ureummolecuul (0), het kation ammonium (NH₄+) en het anion nitraat (NO₃-). De omzetting van N van de ene vorm in de andere gaat gepaard met het ontstaan of verbruik van zuur, en de opname van ureum, ammonium of nitraat door planten zal ook de zuurgraad van de bodem beïnvloeden (figuur 1).
Figuur 1. Zuurgraad van de bodem en stikstofmeststoffen (aangepast van (Davidson 1987)). MAP = monoammoniumfosfaat, DAP = diammoniumfosfaat, SoA = ammoniumsulfaat, CAN = calciumammoniumnitraat, natriumnitraat
In figuur 1 is te zien dat meststoffen op basis van ammonium de bodem verzuren, aangezien zij twee H⁺ ionen genereren voor elk ammoniummolecuul dat tot nitraat wordt omgezet. De mate van verzuring hangt af van de vraag of het uit ammonium geproduceerde nitraat wordt uitgespoeld of door planten wordt opgenomen. Als nitraat door planten wordt opgenomen, wordt de netto verzuring per ammoniummolecuul gehalveerd ten opzichte van het scenario waarin nitraat wordt uitgespoeld. Dit is het gevolg van de consumptie van één H⁺-ion (of uitscheiding van OH-) voor elke opgenomen nitraatmolecule – dit wordt vaak waargenomen wanneer de pH in de rhizosfeer toeneemt (Smiley and Cook 1973). Watervrije ammoniak en ureum hebben een lager verzuringspotentieel dan ammoniumhoudende producten, omdat bij de omzetting in ammonium één H⁺-ion wordt verbruikt. Meststoffen op basis van nitraat hebben geen verzuringspotentieel en kunnen de pH-waarde van de bodem zelfs verhogen, omdat bij de opname van nitraat één H⁺-ion door de plant wordt opgenomen (of OH- wordt uitgescheiden).
Fosfor
De vorm van P-meststoffen die aan de bodem worden toegevoegd, kan de zuurgraad van de bodem beïnvloeden, voornamelijk doordat het fosfaatmolecuul H⁺-ionen vrijmaakt of wint, afhankelijk van de pH-waarde van de bodem (figuur 2). Als fosforzuur (PA) aan de bodem wordt toegevoegd, zal het molecuul de bodem altijd verzuren omdat er H⁺-ionen vrijkomen – één H⁺-ion als de bodem-pH lager is dan ~6,2 en twee H⁺-ionen als de bodem-pH hoger is dan 8,2. Monoammoniumfosfaat (MAP), enkelvoudig superfosfaat (SSP) en drievoudig superfosfaat (TSP) voegen allemaal P aan de bodem toe in de vorm van het H₂PO₄-ion, dat de bodem kan verzuren bij een pH groter dan 7,2, maar geen effect heeft op de pH van de bodem in zure bodems. De vorm van P in diammoniumfosfaat (DAP) is HPO₄²-, dat zure bodems (pH<7,2) alkalischer kan maken, maar geen effect heeft op bodems met een pH>7,2. De hydrolyse van ammoniumpolyfosfaat (APP), waarbij de als P₂₇⁴-molecuul aanwezige P wordt omgezet in HPO₄²-, is pH-neutraal en derhalve kan een eventuele verzuring door toevoeging van P worden beschouwd als vergelijkbaar met DAP. Van SSP of TSP wordt soms gezegd dat ze bodemverzuring veroorzaken omdat de reactieproducten zeer zuur zijn;
Ca(H₂PO₄)₂+ ₂H₂O -> CaHPO₄ + H⁺ + H₂PO₄-
maar in bodems met pH-waarden lager dan 7.7 neutraliseert de volgende reactie de geproduceerde zuurgraad, zodat er geen netto verzuring optreedt;
CaHPO₄ + H₂O -> Ca₂+ + H₂PO₄- + OH-
In bodems met een hoge pH (pH >7.2) zal dissociatie van het H+-ion uit het H₂PO₄-molecuul een zekere zuurgraad genereren.
De P-opname door het gewas heeft weinig effect op de zuurgraad van de bodem, omdat in een bepaald jaar slechts kleine hoeveelheden kunstmest-P worden opgenomen – vandaar dat de chemie van de kunstmest de pH-veranderingen domineert en er geen significante verschillen in rhizosfeer-pH zijn waargenomen voor de opname van verschillende orthofosfaat-ionen.
Figuur 2. Zuurgraad van de bodem en P-meststoffen. MAP = monoammoniumfosfaat, DAP = diammoniumfosfaat,
SSP = enkelvoudig superfosfaat, TSP = drievoudig superfosfaat, APP = ammoniumpolyfosfaat.
Zwavel
De vorm van de aan de bodem toegevoegde S-meststof kan de zuurgraad van de bodem beïnvloeden, hoofdzakelijk door het vrijkomen van H⁺-ionen door de toevoeging van elementaire S (S⁰) of thiosulfaat (S₂O3²-, in ammoniumthiosulfaat – ATS) (figuur 3). De hoeveelheden S die aan de bodem worden toegevoegd en door de planten worden opgenomen, zijn in het algemeen echter gering in vergelijking met N.
Figuur 3. Zuurgraad van de bodem en S-meststoffen. S⁰ = elementaire S, ATS = ammoniumthiosulfaat, SoA = ammoniumsulfaat.
Voor elke molecule S⁰ die aan de bodem wordt toegevoegd, ontstaan twee H⁺ ionen, die door de opname door de plant kunnen worden gecompenseerd door hetzij opname van H⁺ (hetzelfde als uitscheiding van OH- ionen), hetzij de generatie van OH- (in feite organische anionen) in de plant om alkalisch plantaardig materiaal te vormen (“asalkaliteit”). Wanneer producten worden verwijderd (wat vaak het geval is in landbouwsystemen), zal een netto verzuring van de bodem optreden als S⁰ of ATS wordt gebruikt.
Kalium
De vorm waarin K aan de bodem wordt toegevoegd – hetzij kaliummuriaat (KCl) hetzij kaliumsulfaat (K₂SO₄) – heeft geen effect op de verzuring van de bodem.
Verzuring door Microessentials producten