Sturen op Nutriënten. Eindrapportage 10 juni 2016

Transcriptie

1 Sturen op Nutriënten Eindrapportage 1 juni 216

2 Colofon Documenttitel. Sturen op Nutriënten Opdrachtgever. VIC Status. Eindrapportage Datum. 1 juni 216 Projectnummer. 568 Projectteam. Jouke Velstra, Jaco van der Gaast, Emiel Kruisdijk en Michel Verbruggen (Acacia Water) Idse Hoving (ASG-WUR) Fons Smolders en Esther Lucassen (B-ware) Karel van Houwelingen (KTC Zegveld) Disclaimer Rapport: Aan dit rapport kunnen geen rechten worden ontleend. De auteurs zijn niet verantwoordelijk voor eventuele fouten of consequenties. Aanvullingen of verbeteringen zijn welkom via info@acaciawater.com ii Acacia Water Eindrapportage

3 Samenvatting Sturen op Nutriënten is het eerste project met de principes van Sturen met Water, een innovatietraject van het Veenweiden Innovatiecentrum Zegveld. Dit project richt zich op het zichtbaar maken van de dynamiek van nutriëntenlevering door middel van literatuurstudie, dataonderzoek, metingen en modellering. Daarbij is gekeken naar een drietal varianten van peilbeheer. Vast laag en Vast hoog, beide zonder drainage, en Dynamisch peil met onderwater drainage. Het doel van dit onderzoek is om vast te stellen of beheer en sturing van grondwater en het hiermee samenhangende bodemvocht stuurbaar te maken is. En of met behulp van sturing van grondwater en bodemvocht ook de nutriëntenlevering stuurbaar te maken is. Uit de grondwaterstandsmetingen blijkt dat het grondwater gedurende de natte winterperiode langdurig tot in of nabij maaiveld staat. In deze periode blijkt het verschil tussen de verschillende peilstrategieën beperkt. Het verschil in grondwaterstand in de zomerperiode loopt maximaal op tot 1 cm voor de verschillende peilstrategieën van de beschouwde proefpercelen. Het grondwaterstandsverloop bij Dynamisch peil lag tussen dat van de vaste peilen. Het komt er derhalve op neer dat een oppervlaktewaterpeil verschil van 4 cm (55 cm t.o.v. 15 cm) resulteert in een maximaal verschil in de zomer van 1 cm. Om de grondwaterbeweging te kunnen beschrijven is gebruik gemaakt van zowel het 1D model SWAP als het 2D model Hydrus. Met de modellen kunnen de gemeten grondwaterstanden redelijk goed worden gesimuleerd. Uit de berekeningen met het twee-dimensionale model Hydrus blijkt dat de locatie van observatiepunten bepalend is voor de rekenresultaten. Hieruit komt tevens naar voren dat metingen in veenprofielen met een geringe doorlatendheid worden beïnvloed door de filterstelling en daarmee de inrichting van meetpunten. Indien geen rekening gehouden wordt met de geringe doorlatendheid van het veen bij het interpreteren van meetgegevens kunnen metingen verkeerd worden geïnterpreteerd. Uit tracerberekeningen blijkt dat het geïnfiltreerde oppervlaktewater dat via onderwaterdrains kan infiltreren een beperkte ruimtelijke verbreiding heeft. Het merendeel van de infiltratie vindt gedurende het groeiseizoen als gevolg van een verdampingsoverschot plaats. In de daaropvolgende natte winterperiode met een neerslagoverschot wordt een gedeelte van het eerder geïnfiltreerde water weer afgevoerd. Uit de voorgaande waterbeweging komt tevens het belang van het gebruik van twee-dimensionale modelsimulaties naar voren. Uit de hoog frequente metingen in het bodemvocht en grondwater blijkt dat de grondwaterstand invloed heeft op nutriënten. Veranderingen in de grondwaterstand leidt tot verschillen in de verzadigde en onverzadigde zone. Een stijging van het grondwater leidt tot een grotere verzadigde zone en dus meer anaerobe processen (er is geen zuurstof aanvoer meer). Daarnaast stijgt hierdoor ook het bodemvocht, wat leidt tot langzamere aerobe processen (minder zuurstof aanwezig). De processen en de snelheden van de processen van de belangrijkste nutriënten, nitraat, fosfaat en ammonium veranderen bij verschillende grondwaterstanden. In de zomer vindt er infiltratie plaats vanuit het oppervlaktewater naar het grondwater en stromen de nutriënten in het grondwater niet uit naar het oppervlaktewater. In de winterperiodes stijgt de grondwaterstand en is er uitstroom van grondwater inclusief nutriënten naar het oppervlaktewater. De modellering met PHREEQC toont aan dat een hogere grondwaterstand in de zomer zorgt voor een verlaagde fosfaat piek in het grondwater op het moment dat het grondwater inclusief nutriënten uitstroom naar het oppervlaktewater. Nauwkeurigere en extra analyses zijn nodig om de invloed van een hogere grondwaterstand op de nitraat en ammonium concentraties te bestuderen. Hogere grondwaterstanden leiden ook tot lagere sulfaat concentraties in het grondwater. Sturen op Nutriënten Acacia Water iii

4 Inhoudsopgave 1 Inleiding Visie Sturen op nutriënten Aanpak Leeswijzer Achtergrond van de keuze voor de proefpercelen locatie VIC Proefpercelen en behandelingen Proefpercelen Behandelingen Meetplan Kennisdeling Metingen kwantiteit Inleiding Resultaten Bevindingen Metingen kwaliteit Inleiding Resultaten Grasopbrengsten Meetplan Resultaten Bevindingen Modelsimulaties kwantiteit Inleiding Systeemanalyse Modelopzet Resultaten Resultaten Bevindingen Modelsimulaties kwaliteit Inleiding Nutriëntenkringlopen en bronnen Eerder uitgevoerd onderzoek Modelopzet Nadere analyse van de meetresultaten t.b.v. modellering Acacia Water Eindrapportage

5 8.6 PHREEQC simulatie perceel PHREEQC modelscenario s Bevindingen Conclusies en aanbevelingen Conclusies Aanbevelingen Referenties Sturen op Nutriënten Acacia Water 1

6 1 Inleiding Het veenweidengebied is een complex systeem, waarin allerlei functies, doelen, belangen en processen elkaar beïnvloeden en van elkaar afhankelijk zijn. Rendabele landbouw, schoon water, hoogwaardige natuur, beperken van bodemdaling, efficiënt gebruik van water, efficiënt omgaan met nutriënten in de bodem, beperken van emissies naar de lucht, et cetera. Het (freatische) grondwaterpeil speelt daarin een belangrijke rol. Wanneer gestuurd kan worden op en door het grondwaterpeil ontstaat een belangrijke sleutel tot het sturen op al deze doelen. Hiervoor is het Veenweide Innovatie Centrum (VIC) gestart met het programma Sturen met water. Een belangrijk onderdeel hiervan is een actief en gericht grondwaterbeheer in de veenweiden. (Sturen met Water position paper ). Een onderdeel van het programma Sturen met Water is het project Sturen op Nutriënten. In dit project wordt onderzocht hoe de grondwaterstand kan worden geoptimaliseerd om de nutriëntenlevering uit de bodem te beïnvloeden. In het veenweidegebied komen niet alleen nutriënten vrij door bemesting, maar ook door de afbraak van het veen. Een te hoge piek in de levering van nutriënten vanuit de bodem heeft negatieve effecten voor de agrariër, omdat daarmee het eiwit gehalte in het gras, de melk, en de uitscheiding van de koeien te hoog wordt, én voor de waterbeheerder, omdat het kan leiden tot een hogere uitspoeling van nutriënten naar het oppervlaktewater. Dit project richt zich daarom op de nutriënten die vrijkomen uit de bodem, omdat hier nog winst valt te behalen voor de agrariër en de waterbeheerder, en er hierbij nog diverse onderzoeksvragen spelen. Uit eerdere studies is gebleken dat aanpassingen in de grondwaterstand de stikstofopbrengst (bijv. Hoving et al., 28 en 211) en de maaivelddaling (bijv. Jansen et al., 29) kunnen reduceren. Dit impliceert dat met een slim beheer van de grondwaterstand de nutriëntenlevering kan worden geoptimaliseerd. Hierbij kan gebruik worden gemaakt van onderwaterdrainge (OWD) om de grondwaterstanden ook in het midden van het perceel te beïnvloeden. Naar verwachting neemt het gebruik van OWD toe in het veenweidegebied, en kan dit project op deze ontwikkeling aansluiten. De nutriëntenlevering vanuit de bodem is een complex proces waarbij verschillende factoren zoals de hoeveelheid organisch stof, ijzeroxiden, sulfaat, temperatuur, de duur van de anaerobie en de aanwezigheid van grensvlakken tussen aerobe en anaerobe fasen een sleutelrol spelen (Kemmers en Koopmans, 29). Om met een slim grondwaterbeheer de nutriëntenpiek terug te kunnen dringen, is het daarom van belang om de dynamiek van het systeem en de belangrijkste processen die afbraak van organisch stof veroorzaken, in tijd en ruimte, goed te begrijpen. Dit project richt zich daarom op het zichtbaar maken van deze dynamiek door middel van literatuurstudie, dataonderzoek, metingen en modellering. Het langere termijn doel is om uiteindelijk een praktisch toepasbaar advies te geven voor het optimale beheer van grondwater en het hiermee samenhangende bodemvocht. 2 Acacia Water Eindrapportage

7 1.1 Visie Sturen op nutriënten De visie van het project Sturen op Nutriënten is dat de dynamiek van de nutriëntenlevering uit de bodem mogelijkheden geeft om met een dynamisch waterbeheer meerdere functies te bedienen. Doel is om via begrip van de dynamiek van het systeem een hierop uiteindelijk afgestemd grondwaterbeheer te ontwerpen en te testen. Een voorbeeld van de dynamiek door het jaar heen is dat de piek in de stikstoflevering zich over het algemeen aan het eind van de zomer en begin van het najaar voordoet. Een gericht peilbeheer kan worden ingezet om specifiek op dat moment de veenafbraak te reduceren. Dit betekent dat de grondwaterstand op sommige momenten in het jaar kan worden verlaagd (wanneer de kans op veenafbraak klein is) en slechts op beperkte momenten gericht hoeft te worden verhoogd. Hiermee kunnenverbeteringen worden gecreëerd met betrekking tot de reductie van veenafbraak, draagkracht, het voorkomen van uit- en afspoeling van meststoffen, het reduceren van stikstofmobilisatie en het beperken van diepe kwel van nutriëntrijk water. Het project Sturen op Nutriënten richt zich op doelstelling voor zowel de agrariër als voor het waterschap. Onderzocht zal worden hoe en in welke mate op deze functies met grondwater gestuurd kan worden. Hieronder worden de doelen die kunnen worden bediend met Sturen op Nutriënten beschreven: KRW doelstellingen In de Kaderrichtlijn Water zijn doelstellingen voor de waterkwaliteit van het oppervlaktewater gedefinieerd. Hiervoor is het van belang dat de afspoeling van nutriënten van de percelen wordt beperkt, om een te hoge nutriëntenconcentratie in het oppervlaktewater te vermijden. Sturen op Nutriënten heeft als doel om de hoeveelheid nutriënten die vrijkomt en de uit- en afspoeling naar het oppervlaktewater zoveel mogelijk te beperken. Vermindering bodemdaling Verder is de afbraak van het veen door oxidatie een oorzaak van bodemdaling in het veenweidegebied. De doelstelling van het project om de veenafbraak te reduceren heeft daarom niet alleen als effect dat er minder nutriënten vrijkomen, maar ook dat daardoor de bodemdaling wordt afgeremd. Verlaging eiwitgehalte Voor de melkveehouderij is een constant nutriëntengehalte in het gras gewenst. Wanneer het stikstofgehalte te hoog is leidt dit tot een verhoging van het eiwitgehalte, wat vervolgens weer leidt tot een hoog ureum gehalte in de melk, een hoge concentratie in de dierlijke mest en een hoge ammoniak uitstoot. Door een te hoge piek in de nutriëntenlevering gaan nutriënten ongebruikt verloren en neemt de efficiëntie af. Met een goede sturing op het nutriëntengehalte in de voeding kan het nutriëntenverlies worden gereduceerd. Verhoging stikstofbenutting mest Door een verlaging van de stikstoflevering van de bodem wordt de stikstofbenutting van meststoffen vergroot. Uit Hoving et al. 28 en 211 bleek dat door het gebruik van onderwaterdrains de stikstoflevering geremd werd, maar deze lagere stikstoflevering gecompenseerd werd door een hogere benutting van stikstof uit mest. Een hogere stikstofbenutting geeft minder risico op emissies richting grondwater, oppervlaktewater en de lucht. Vermindering noodzaak bijmengen van maïs Een hoog eiwitgehalte in het gras, ten tijde van pieken in de stikstoflevering vanuit de bodem, kan worden gecompenseerd door het bijmengen van maïs in het voer. Het telen van maïs is echter in het veenweide gebied niet gewenst, vanwege de negatieve effecten op de bodemdaling, en in dit gebied (in de toekomst) niet toegestaan. Wanneer het eiwitgehalte van het gras kan worden beperkt kunnen de maïsinkoop en daarmee de kosten worden beperkt. Sturen op Nutriënten Acacia Water 3

8 Figuur 1. Overzicht van de stikstofdoelstellingen van het project Sturen op Nutriënten 1.2 Aanpak Voor dit project worden het bestaande peilbeheer van drie percelen (2 herhalingen) gevolgd waarin wordt onderzocht hoe de hydrologie van de bodem wordt beïnvloed. Het project bestaat uit een veldproef en het ontwikkelen van een hydrologisch en nutriënten- model dat de dynamiek van interne eutrofiering beschrijft. Hierbij zal gebruik worden gemaakt van onderwaterdrainage als techniek. In het project wordt verder gewerkt op onder andere de kennis die is opgedaan in eerdere veldstudies van Wageningen UR en B-ware. Er worden metingen uitgevoerd aan de hydrologie en bodemtemperatuur, de chemische samenstelling (o.a. stikstof, fosfaat en sulfaat) van de bodem, grond- en oppervlakte water, het watergebruik en de draagkracht. Hiermee de dynamiek van het systeem en de belangrijkste processen die afbraak van organisch stof veroorzaken, en de nutriëntenhuishouding in tijd en ruimte beter te begrijpen. Hiertoe is als doel opgenomen om tevens een gekoppeld 2D hydrologisch-nutriënten model op te zetten waarmee de processen op perceelniveau gesimuleerd kunnen worden. 1.3 Leeswijzer In het voorliggende rapport zijn de meetgegevens van het eerste meetjaar beschreven en voorzien van een eerste analyse. Het rapport heeft dan ook betrekking op een tussenrapport. In hoofdstuk 2 is aan de hand van literatuuronderzoek een beknopt overzicht van eerder uitgevoerd onderzoek beschreven. In het daaropvolgende hoofdstuk is de opzet van de metingen voor de proefpercelen beschreven. Vervolgens zijn in hoofdstuk 4 en 5 respectievelijk de kwantiteits- en de kwaliteitsmetingen beschreven en voorzien van een interpretatie. Om het effect van sturen op nutriënten op de gewasopbrengst te kunnen bepalen zijn de gemeten grasopbrengsten beschreven in hoofdstuk 6. In hoofdstuk 7 en 8 zijn de modelsimulaties beschreven die nodig zijn om het systeem en de interacties tussen de verschillende domeinen te kunnen simuleren. Het rapport wordt afgesloten met een vooruitblik en argumentatie voor een eventueel vervolg. 4 Acacia Water Eindrapportage

9 2 Achtergrond van de keuze voor de proefpercelen locatie VIC De drooglegging in veengebieden heeft invloed op het grondwaterstandsverloop in veenweidepercelen. Het heeft daarmee mogelijk veel (neven)effecten zoals maaivelddaling door veenafbraak, nutriëntenbelasting van het oppervlaktewater, de hoeveelheid water in- en uitlaat, de productiviteit van grasland en grasland als biotoop voor weidevogels. Daarbij zijn in het algemeen de maatschappelijke vraagstukken gebaat bij hoge peilen en is de landbouw gebaat bij lage(re) peilen. Via peilbesluiten wordt geprobeerd hier een compromis in te vinden. Daarbij wordt veelal uitgegaan van vaste peilen, het zij het gehele jaar hetzelfde peil of een hoger peil in de zomer en een lager peil in de winter. Met deze vaste peilen kan echter niet voorkomen worden dat in relatief natte perioden bij een laag peil grondwaterstanden zodanig stijgen dat vernatting ontstaat en dat in relatief droge perioden bij een hoog peil grondwaterstanden zodanig dalen dat droogteschade ontstaat. Sturen met het slootpeil is dus niet de ultieme oplossing om doelen te bereiken of doelen te verenigen. Het toepassen van onderwaterdrains maakt het naar verwachting mogelijk om het grondwaterstandverloop beter te kunnen beïnvloeden door een intensivering van de interactie tussen oppervlakte- en grondwater. Het onderzoek naar het effect van onderwaterdrains op het grondwaterstandsverloop is in 24 gestart op KTC Zegveld bij een vast hoog peil van ongeveer 2 cm en een vast laag peil van ongeveer 55 cm beneden maaiveld (Hoving et al., 28). De proef werd uitgevoerd op proefveldniveau en liep tot en met 27. Het bleek dat onderwaterdrains zowel een drainerende als infiltrerende werking hadden. Gemiddeld nivelleren onderwaterdrains het grondwaterstandsverloop, waarbij de hoogte van de grondwaterstanden afhankelijk zijn van de drooglegging. In een daaropvolgend veldonderzoek in polder Zeevang (27-21) te Kwadijk en Hobrede werd de werking van onderwaterdrains onder praktijkomstandigheden onderzocht en dit leverde vergelijkbare resultaten op (Hoving et al., 211). De aanbeveling was om een zomer- en winterpeil toe te passen om in het winterhalfjaar (neerslagoverschot) de drainerende werking te vergroten en om in het zomerhalfjaar (neerslagtekort) de infiltrerende werking te vergroten. In het najaar van 212 is de toepassing van een zomer- en winterpeil in combinatie met onderwaterdrains onderzocht in polder Zeevang te Warder (Hoving et al., 215 in druk). Daarbij was het zomerpeil ongeveer 35 cm beneden maaiveld en het winterpeil ongeveer 55 cm benden maaiveld. De hypothese werd bevestigd dat ten opzichte van een vast laag en een vast hoog peil onderwaterdrains bij een zomer en winterpeil gemiddeld zowel de zomergrondwaterstand verhoogt als de wintergrondwaterstand verlaagt. In het algemeen is de verwachting dat onderwaterdrains de maaivelddaling bij een zomerpeil van 4 cm maaiveld ten minste halveren. Metingen bevestigen dit (Van den Akker et al., 212). Echter, het recente onderzoek te Warder liet zien dat tijdens perioden met een neerslagoverschot de grondwaterstanden hoger waren dan in de ongedraineerde situatie door de geringe drooglegging. Dit vergroot het risico op vernatting, terwijl vanuit een landbouwkundig perspectief onderwaterdrains juist voor een droger maaiveld moeten zorgen. Bij een laag slootpeil voerden onderwaterdrains wel extra water af. Willen melkveehouders profijt hebben van een investering in onderwaterdrains dan dienen de drains tijdens natte perioden in het groeiseizoen zodanig extra water af te voeren dat het maaiveld substantieel droger is. De aanbeveling was zodoende om wel een zomer- en winterpeil te hanteren, Sturen op Nutriënten Acacia Water 5

10 maar met een meer flexibelere invulling van data waarop de slootpeilen moeten veranderen. Hierbij moet rekening gehouden worden met de actuele weersomstandigheden. Een flexibele invulling van een zomer- en winterpeil is een eerste stap richting het toepassen van dynamisch peilbeheer. Op KTC-Zegveld is in 211 en 212 een veldexperiment uitgevoerd om de toepassingsmogelijkheden van dynamisch peilbeheer en het effect op het grondwaterstandsverloop en de grasopbrengsten te onderzoeken (Hoving et al., 213). Daarbij zijn onderwaterdrains toegepast om te zien of het effect van de peilstrategieën vergroot kon worden. In het betreffende onderzoek zijn twee vormen van dynamisch slootpeil (hoog en laag winterpeil) vergeleken met een vast laag en een vast hoog slootpeil. Het grondgebruik was sturend voor het aanpassen van het slootpeil. De invloed van onderwaterdrains op de grondwaterstand bij dynamisch peilbeheer bleek groot (Hoving et al., 213). Zonder onderwaterdrains zakten de grondwaterstanden aanmerkelijk verder uit dan met onderwaterdrains (Hoving et al., 213). Daarbij had een kleinere drainafstand een groter effect. De grondwaterstanden reageerden daarbij duidelijk op de verandering van het slootpeil, waarbij de gedraineerde objecten een groter effect hadden (Hoving et al., 213). Sturing van dynamisch peilbeheer uitsluitend op basis van grondgebruik leidde niet tot optimale grondwaterstanden voor draagkracht en maaivelddaling. Er dient ook rekening gehouden te worden met actuele grondwaterstanden en weersverwachting. Het onderzoek op KTC Zegveld in was de opmaat voor het onderzoek Sturen op nutriënten dat in het voorliggende rapport staat beschreven. Er is gebruik gemaakt van dezelfde proefpercelen en volgens de aanbeveling in Hoving et al. (213) is bij de toepassing van een dynamische peil het slootpeil gestuurd op basis van de actuele grondwaterstand en weersverwachting. Het grondwaterstandsverloop heeft invloed op de grasproductie en het graslandgebruik. Hoge peilen (< 4 cm beneden maaiveld) geven meer risico op natschade of gebruiksschade. Natschade is directe schade als gevolg van groeireductie door zuurstofgebrek in de wortelzone. Gebruiksschade is indirecte schade die optreedt doordat de draagkracht van de graszode te laag is om vee te weiden, om mest toe te dienen of ruwvoer te winnen. Lage peilen (> 6 cm beneden maaiveld) geven meer risico op droogteschade doordat verdampingsreductie de grasgroei vermindert. De invloed van de peilregimes al of niet in combinatie met onderwaterdrains op de grasproductie is onderzocht. De resultaten staan in Hoofdstuk 6. 6 Acacia Water Eindrapportage

11 3 Proefpercelen en behandelingen 3.1 Proefpercelen Het project Sturen op Nutriënten wordt uitgevoerd op proefboerderij Zegveld. Hier is in een eerder project een experiment uitgevoerd met onderwaterdrainage, waardoor al een grote hoeveelheid gegevens beschikbaar is. Het project is een vervolg van deze proef, waarbij deze wordt uitgebreid met metingen om de verschillende componenten van de nutriëntenbalans en de dynamiek van het systeem door het jaar heen in beeld te brengen. Bij de keuze van de proefpercelen is gekozen voor die percelen die al meerjarig onder dezelfde omstandigheden qua peilregime zijn behandeld en tevens al OWD én deels zonder OWD (referentie) bevatten. Dat de behandelingen reeds enige jaren op de betreffende proefpercelen in eerder projecten zijn uitgevoerd heeft als voordeel dat tragere veranderingen in processen in de bodem al enkele jaren geleden zijn ingezet. Figuur 2 geeft een overzicht van de gekozen percelen. Het betreft de percelen 2 en 3, 7 en 8 en 13. De lokale bodemopbouw van de onderzoekspercelen is bekend uit eerder onderzoek (Pleijter, Beek, & Kuikman, 211). De keuze heeft direct verband met de behandelingen (zie volgende paragraaf). Figuur 2. Overzicht van de proefvelden op Zegveld, met een vast laag (2 en 3), dynamisch (7 en 8) en vast (13) peil. De nummers in de gekleurde boxen geven aan voor de subperceeljes of er wel (1) of geen () bemesting plaatsvindt. Sturen op Nutriënten Acacia Water 7

12 3.2 Behandelingen In de proef worden verschillende vormen van peilbeheer en bemesting met elkaar vergeleken, dit worden de verschillende behandelingen van de percelen genoemd. De eerste behandeling is het peilbeheer dat in veenweide gebieden zonder OWD gebruikelijk is, namelijk een vast laag peil zonder onderwaterdrains. De tweede behandeling is de toepassing van drainage in combinatie met een dynamisch peil, hierbij wordt gestuurd op een grondwaterstand van ongeveer 35 cm -mv. Om dit te kunnen vergelijken met een ander peilbeheer is een derde behandeling toegevoegd, met een vast hoog peil zonder drainage. De toepassing van deze derde behandeling maakt het mogelijk een bredere dataset op te bouwen. Het vormt in feite het andere uiterste in de trits vast laag peil dan dynamisch peil en dus ten slotte vast hoog peil. Per behandeling zijn twee percelen geselecteerd, zodat de proeven beter representatief zijn en de resultaten kunnen worden vergeleken. Hieronder worden de verdere specificaties van de drie behandelingen gegeven en in Figuur 3 is schematisch de tijdsfasering van het peilbeheer op jaarbasis weergegeven, exclusief de peilverlagingen/-verhogingen in het groeiseizoen. Percelen met vast laag peil (PR2-PR3) Vast laag peil 5-55 cm mv Geen variaties waterpeil afhankelijk van gebruik Percelen met Dynamisch Peil beheer winter hoog PR7B-PR8B Vast hoog peil 2-25 cm mv, periode 1 november tot 1 maart Vast laag peil 4-45 cm mv, periode 1 maart tot gift 1 e kunstmest ca. 1 april Dynamisch peil, periode 1 april tot 1 november, hierbij wordt gestuurd op een grondwaterstand van ongeveer 35 cm mv. Percelen vast hoog peil (PR11-PR13) Vast hoog peil 2-25 cm mv Geen variaties waterpeil afhankelijk van gebruik jan. feb. mrt apr mei jun jul aug sep okt nov dec Slootpeil vast hoog peil 2-25 cm -mv vast laag peil 5-55 cm -mv dyn peil, winter hoog dynamisch, afhankelijk van streefstand grondwater (= 35 à 4 cm -mv) 2-25 cm -mv 5-55 cm -mv Figuur 3. Tijdfasering peilbeheer op jaarbasis. In de uitvoering van het dynamisch peilbeheer staat een streefstand van het grondwater van 35 à 4 cm beneden maaiveld centraal. Bij deze grondwaterstand is op de betreffende percelen de ervaring dat dan de draagkracht doorgaans voldoende is. Het dynamisch peilbeheer is als volgt uitgevoerd. Het slootpeil wordt ingesteld op cm mv wanneer de grondwaterstand gelijk of hoger is dan de streefstand in combinatie met een neerslagoverschot. Wanneer de grondwaterstand gelijk of lager is dan de streefstand in combinatie met een neerslagtekort wordt het slootpeil verhoogd tot op 2-25 cm mv. De uitvoering van het dynamisch peil in het groeiseizoen is schematisch weergegeven in Tabel 1. 8 Acacia Water Eindrapportage

13 Tabel 1 Uitvoering dynamisch peilbeheer tijdens het groeiseizoen. Slootpeil Dynamisch peil Streefstand grondwater Bovengrens Ondergrens 2-25 cm -mv cm -mv Neerslagtekort en grondwaterstand hoger of gelijk aan de streefstand Actie: slootpeil hoog 35-4 Neerslagoverschot en grondwaterstand lager of gelijk aan de cm mv streefstand Actie: slootpeil laag Binnen elk proefperceel vindt daarnaast een aantal sub-behandelingen met betrekking tot bemesting plaats (proefvakken) waarbij de proefvakken dwars op drains in de lengterichting van het perceel liggen: 1. N Geen bemesting 2. N1 Praktijkbemesting Tabel 2 toont een overzicht van de proefpercelen en proefvakken. Hieruit blijkt dat elke behandeling in duplo wordt uitgevoerd, waarbij de continue metingen op een perceel per behandeling plaatsvinden en de handmetingen op twee percelen per behandeling. De specificaties van de metingen die op de percelen worden uitgevoerd worden gegeven in de volgende hoofdstukken. Tabel 2. Detail proefvak sub-behandelingen. No N1 No N1 Totaal 3x 3x 3x 3x 48x per week 3.3 Meetplan Bij de proef worden aan alle belangrijke componenten om de processen die de veenafbraak en het vrijkomen van nutriënten beïnvloeden metingen gedaan. In de proef staan voor de metingen de volgende onderdelen centraal: (1) De chemische samenstelling (standaard macro-parameters waaronder, stikstof (o.a. nitraat), fosfor (o.a. fosfaat), sulfaat en ijzeroxide) van de verschillende componenten: chemische samenstelling van de bodem, nutriënten opgelost in het bodemvocht en het grondwater, eiwitgehalte van het gras, en de nutriënten uitspoeling van het perceel (via bemonstering in oppervlaktewater). (2) Het hydrologisch systeem (neerslag, bodemtemperatuur, grondwaterstanden en vochtgehalte). Dit heeft geleid tot de volgende meetopstelling en metingen (Figuur 4 en Figuur 5): 1. Bodemvocht (waterkwaliteit) a. Er zijn op alle percelen vaste opstellingen van poreuze cups (Rhizons-Eijkelkamp) aangelegd op -1 cm, 35 cm, 6 cm en 1cm diepte. Hieruit worden wekelijks watermonsters van het bodemvocht genomen om te analyseren op de kwaliteit. 2. Bodemvocht en bodemtemperatuur (kwantiteit) a. Real time en telemetrisch (hoog frequent, 1 per proefperceel) 3. Bodem a. Bodemkarakteristiek (4 percelen x 2 subbehandelingen x 4 dieptes =32 mengmonsters) 4. Grondwaterstand (waterkwantiteit) alle peilbuizen geheel perceel a. Handmatig (wekelijks) b. Real-time en telemetrisch (hoog frequent, 1 per proefperceel) 5. Oppervlaktewater Sturen op Nutriënten Acacia Water 9

14 a. Drainwaterkwaliteit (perceel 7 en 8 dynamisch peil) b. Slootwaterkwaliteit (in de tussensloot grenzend aan het perceel) 6. Neerslag a. Realtime en telemetrisch neerlagmeter (bij één van de percelen) Figuur 4. Schematisch overzicht van de metingen per perceel. Samenvattend leidt dit tot een groot aantal monsters bodemvocht, namelijk: 3 percelen 2 subbehandelingen 2 herhalingen subbehandelingen per perceel 3 dieptes 1 mengmonster per diepte per subbehandeling per perceel (4x2x3=24 mengmonsters) Totaal 24x2=48 monsters Met een frequentie van een monstername per week Dit alles leidt tot een groot aantal monsters om te analyseren in het laboratorium. Er is gekozen voor een aanpak om alle locaties en dieptes steeds te bemonsteren en de monsters in te vriezen. Om inzicht te kunnen krijgen op de dynamiek in waterkwaliteit zijn alle monsters geanalyseerd. Figuur 5. Overzicht van de meetpunten per proefveld. 1 Acacia Water Eindrapportage

15 3.4 Kennisdeling Veldproeven kosten veel tijd en vaak duurt het lang voordat de projectgroep geïnformeerd kan worden over resultaten van de proef. Om dit te ondervangen is een dashboard ontwikkeld. Dit dashboard maakt het mogelijk om overzichtelijke en veelal real-time meetgegevens te delen. Het dashboard is te vinden op zegveld.acaciadata.com (op het dashboard kunnen de percelen met continue metingen worden geselecteerd, door op de tabs bovenin beeld te klikken kunnen de verschillende data worden bekeken). Voor de verschillende behandelingen zijn grafieken beschikbaar van de grondwaterstand, neerslag, bodemvocht en temperatuur (real-time). Daarnaast worden grafieken gemaakt van uitgevoerde analyses van o.a. nitraat, fosfaat, etc. Deze worden periodiek aangevuld. Een voorbeeld van de grafieken zoals die op het dashboard beschikbaar zijn is gegeven in Figuur 6. Figuur 6. Meekijken met de metingen in het veld. Sturen op Nutriënten Acacia Water 11

16 4 Metingen kwantiteit 4.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt de fluctuatie van de grondwaterstand op de verschillende percelen gepresenteerd, en met elkaar vergeleken. Het doel is om daarmee inzicht te krijgen in de invloed van de drains en de verschillende slootpeil regimes op de grondwaterstandsdynamiek. In dit hoofdstuk komen vragen aan bod als: wat is het effect van drainage op de grondwaterstand, hoe groot is de invloed van het slootpeil op de grondwaterstand met en zonder drainage, hoe snel reageert de grondwaterstand op veranderingen in het peil, en wat is de toegevoegde waarde van continue metingen ten opzichte van de handmetingen. De handmatige metingen van de grondwaterstanden voor alle percelen zijn opgenomen in bijlage 2, en de daarbij in eerdere studies voor deze percelen toegepaste statistische uitwerking zijn opgenomen in bijlage3. Deze analyse is eerder toegepast om het effect van onderwaterdrainage te onderzoeken (Hoving et al., 28; 213). In dit hoofdstuk beperken we ons tot de metingen die relevant zijn voor het onderhavige onderzoek en de delen van de proefpercelen waar de waterkwaliteitsmetingen en analyse voor zijn uitgevoerd. 4.2 Resultaten Het groeiseizoen van 214 kende geen extreem droge en natte perioden. Rond 1 mei en begin juli was er sprake van een relatief droge periode (neerslagtekort) waardoor in het algemeen de grondwaterstanden daalden. Augustus was relatief nat (neerslagoverschot) waardoor de grondwaterstanden relatief hoog waren. Het groeiseizoen van 215 was tot en met juli aanmerkelijk droger dan het groeiseizoen van 214. Evenals in 214 was de tweede helft van het groeiseizoen (vanaf augustus) relatief nat. Ter karakterisering van beide groeiseizoenen staat in Bijlage 1 het neerslag tekort per jaar van april tot en met september (KNMI, ). Het betreft landelijke gemiddelden over 13 weerstations Dynamiek van de grondwaterstanden Met de continue grondwaterstandsmetingen zijn de reacties van het grondwaterstand met een hoge tijdsresolutie in beeld gebracht (Figuur 7). De grondwaterstand reageert snel op neerslag, de gemeten grondwaterstanden schieten na of tijdens grote buien enkele decimeters omhoog, om vervolgens geleidelijk uit te zakken. De grondwaterstand na een bui komt tot in of nabij het maaiveld. Tijdens de extreem grote bui op 28 juli (68mm neerslag gemeten) is een stijging van het grondwaterpeil gemeten van ruim 6 cm op alle percelen, maar ook bij kleinere buien is vrijwel direct verhoging van de grondwaterstand te zien. De sterke reactie van de grondwaterstanden op de neerslag geeft aan dat het water uit de bemeten percelen niet direct maar met een vertraging naar de drains en sloten wordt afgevoerd. De continue metingen geven veel inzicht in de dynamiek van het systeem ten opzichte van de wekelijkse handmetingen (Figuur 8). Hierbij dient te worden opgemerkt dat de handmetingen betrekking hebben op gemiddelde waarden op meerdere locaties. Met de handmetingen worden de pieken over het algemeen niet gemeten, aangezien tijdens (grote) regenbuien over het algemeen niet wordt gemeten. 12 Acacia Water Eindrapportage

17 Door het gebruik van gemiddelde waarden voor meerdere locaties zal ook een onderschatting van de pieken plaatsvinden indien de grondwaterstand op een aantal locaties tot in maaiveld reikt. Daarnaast is de frequentie van een keer per week onvoldoende om de snelle veranderingen in beeld te brengen en de volledige dynamiek zichtbaar te maken. De combinatie van continue metingen op enkele plaatsten en wekelijkse handmetingen op een groot aantal locaties vult elkaar daarom goed aan: de continue metingen geven inzicht in de dynamiek in de tijd, terwijl de handmetingen op veel locaties inzicht geven in het verschil tussen de verschillende deelpercelen, en de variatie in de ruimte. Figuur 7. Continue gemeten grondwaterstanden over de twee jaren en neerslaggegevens voor de drie onderzochte percelen. Perceel 3 is een locatie met een vast laag peil (55 cm mv), perceel 7 is een locatie met onderwaterdrainage (afstand 8 meter) en een flexibel peil (2 45 cm mv) en perceel 13 is een locatie met een vast hoog peil (15 cm mv). Figuur 8. Continue gemeten grondwaterstanden en gemiddelde wekelijks handmatig gemeten grondwaterstanden en slootpeilen voor drie percelen (in cm-mv op de linker-as), en neerslag (bars, in mm/dag op de rechter-as) Dynamiek van het bodemvocht Naast continue metingen van de grondwaterstand hebben continue metingen van het bodemvocht op een diepte van 2 cm onder maaiveld plaatsgevonden (Decagon GS3) (Figuur 9). Uit de bodemvochtmetingen blijkt dat het vochtgehalte gedurende de natte winterperiode redelijk constant is in de tijd. Het vochtgehalte in perceel 7 is in natte perioden enigszins lager dan de andere percelen. Dit verschil zal waarschijnlijk worden veroorzaakt door een verschil in bodemkundige omstandigheden in Sturen op Nutriënten Acacia Water 13

18 de percelen. Hierbij kan gedacht worden aan verschillen in de samenstelling van het veen en/of verschillen in dichtheid van het veen. De gemeten waarden voor veen en fluctuatie van het vochtgehalte blijken gering. In het perceel met het hoge vaste peil is de gemeten fluctuatie in het vochtgehalte het grootst. Dit heeft tot gevolg dat het bodemvochtgehalte op 2 cm diepte in het perceel met het vaste hoge peil, in tegenstelling tot de verwachting, verder daalt dan in de percelen met een vast laag of een dynamisch peil. Dit impliceert dat verschillen in bodemkundige omstandigheden in hoge mate bepalend kunnen zijn voor het vochtgehalte. Gezien de hoge grondwaterstanden gedurende de winter mag verwacht worden dat het gemeten vochtgehalte in deze periode overeenkomt met het verzadigde vochtgehalte. Indien het gemeten vochtgehalte gedurende de winter wordt vergeleken met metingen aan grondmonster die in het verleden hebben plaatsgevonden lijken de gemeten waarden aan de lage kant te zijn. Voor de bepaling van de waterretentie- en doorlatendheidskarakteristiek geven Heinen en van Kekem (211) een waarde van.67 voor het verzadigd vochtgehalte (θs). Figuur 9. Vergelijking van het bodemvochtgehalte voor de 3 percelen op een diepte van 2 cm onder maaiveld Vergelijking grondwaterstand met dynamisch peilbeheer, vast hoog en vast laag peil De vergelijking tussen gemiddelde handmetingen van de drie verschillende percelen en de continue metingen van de drie percelen geven een vergelijkbaar beeld (Figuur 1). Hierbij kan worden opgemerkt dat de gemiddelde van de handmetingen over het algemeen een afgevlakt beeld geven en de verschillen tussen de peilstrategieën hoger weergeven ten opzichte van continue metingen. Op het perceel Vast laag peil (perceel 3) zijn de laagste grondwaterstanden gemeten en zakt de grondwaterstand dus het verste uit. Op het perceel met een Vast hoog peil (perceel 13) zijn de grondwaterstanden over het algemeen het hoogst. De grondwaterstanden van het perceel met een Dynamisch slootpeil (perceel 7) fluctueren binnen de marges van de grondwaterstanden op perceel 3 en perceel 13. De marge tussen de verschillende percelen kan oplopen tot 1 cm. De hoogfrequente telemetrische metingen laten zien dat alle percelen op een vergelijkbare snelle wijze reageren op een neerslaggebeurtenis. De figuren in Bijlage 2 laten de gemiddelden van handmetingen van alle percelen zien. In het winterhalfjaar zijn de grondwaterstanden relatief hoog en komen geregeld tot in het maaiveld. Ook in het groeiseizoen kunnen de grondwaterstanden relatief hoog worden zoals in augustus 214 en in oktober 215. Over het algemeen ligt het grondwaterstandsverloop bij Vast hoog peil het hoogst, bij Vast laag peil het laagst en bij Dynamisch peil tussen beide vaste peilen in. 14 Acacia Water Eindrapportage

19 Figuur 1. Grondwaterstanden op de verschillende percelen aan de hand van de continue metingen (boven) en gemiddelden van handmetingen (onder) (in cm-mv op de linker-as), en neerslag (bars, in mm/dag op de rechteras). De blauwe balken geven de periodes wanneer het dynamisch peil hoog was. 4.3 Bevindingen Onderwaterdrains hadden bij Dynamisch peil een iets geringe uitzakking van de grondwaterstand tot gevolg ten opzichte van de ongedraineerde situatie. Het verschil liep op tot maximaal 1 cm voor beide proefjaren. Gedurende de winterperiode bevindt de grondwaterstand zich voor alle peilstrategieën langere tijd rond het maaiveldniveau. Gedurende de winter zijn de verschillen dan ook beperkt. In de zomerperiode zakken de grondwaterstanden langzaam uit, waarbij het vaste lage peil uiteindelijk tot circa 1 cm dieper uitzakt ten opzichte van het vaste hoge peil. Het grondwaterstandsverloop bij Dynamisch peil lag tussen dat van de vaste peilen. Het komt er derhalve op neer dat een oppervlaktewaterpeil verschil van 4 cm (55 cm t.o.v 15 cm) resulteert in een maximaal verschil in de zomer van 1 cm. Sturen op Nutriënten Acacia Water 15

20 5 Metingen kwaliteit 5.1 Inleiding In dit hoofdstuk wordt de water- en bodemkwaliteit op de verschillende percelen gepresenteerd, en met elkaar vergeleken. Het doel is om daarmee inzicht te krijgen in de invloed van de drains en de verschillende slootpeil regimes op de dynamiek van de nutriënten. In dit hoofdstuk komen vragen aan bod als: wat is het effect van drainage, hoe groot is de invloed van het slootpeil met en zonder drainage, hoe snel reageert de hydrochemie op veranderingen in het peil, grondwaterstand en vochtgehalte, en wat is de toegevoegde waarde van laagfrequente metingen ten opzichte van de hoogfrequente metingen. 5.2 Resultaten Meetfrequentie In dit onderzoek worden elke week monsters verzameld. De hoge meetfrequentie maakt het mogelijk om na te gaan in hoeverre de meetfrequentie invloed heeft op het beeld dat wordt verkrijgen van de dynamiek van het systeem. In Figuur 11 worden de nitraatconcentraties in de toplaag van perceel 7 gegeven waarbij we steeds data hebben wegelaten, zodat we een meetfrequentie van éénmaal in de twee maanden, éénmaal per maand, éénmaal per 14 dagen en éénmaal per week verkrijgen. Meetfrequente elke 8 weken Meetfrequente elke 4 weken Meetfrequente elke 2 weken Meetfrequente elke week Figuur 11. Het verloop van de nitraatbeschikbaarheid in de toplaag van perceel 7 (perceel met stikstofbemesting). Van boven naar onder wordt het patroon gegeven bij een tweemaandelijkse bemonstering, een maandelijkse bemonstering, een tweewekelijkse bemonstering en, zoals in deze proef, een wekelijkse bemonstering. 16 Acacia Water Eindrapportage

21 Het is duidelijk dat bij een afname van de meetfrequentie er veel informatie over de dynamiek verloren gaat. Bij een tweemaandelijkse bemonstering kunnen zelfs alle pieken wegvallen waardoor het lijkt alsof de nitraatconcentratie jaarrond stabiel is. Verder maakt dit duidelijk dat er bij een wekelijkse bemonstering een verband met het vochtgehalte kan worden vastgesteld. Deze relatie kan bij een lagere bemonsteringsfrequentie niet worden afgeleid. Om een goed beeld te krijgen van de veranderingen van de nitraatbeschikbaarheid in de toplaag van de bodems is een hoogfrequente bemonstering dus noodzakelijk. Dit is een belangrijk gegeven omdat er in de praktijk maar zeer zelden hoog frequent wordt gemeten Bodemeigenschappen In de figuren Figuur 13 tot en met Figuur 16 worden de resultaten gegeven van de eenmalige bodemanalyses van de onderzochte proefvakken waarbij bodems zijn verzameld tot op 1 meter diepte, per bodemlaag van 25 cm. Wanneer er zuurstof bij het anaerobe veen komt, zoals het geval is in de toplaag van percelen in het veenweidegebied, kan het organische materiaal (veen) onder invloed van zuurstof worden afgebroken (geoxideerd, Figuur 12). Hierbij wordt het organische materiaal deels omgezet in kooldioxide (CO2). Het overgebleven veen verliest structuur en kan uiteindelijk ook als bagger in de sloten terecht komen. Het gereduceerde zwavel uit de bodems komt na oxidatie vrij als sulfaat. Dit sulfaat is erg mobiel en spoelt gemakkelijk uit. De bij de oxidatie gevormde slecht oplosbare ijzer(hydr)oxides, kunnen erg goed fosfor binden. Het fosfor dat vrijkomt bij de mineralisatie van het veen en via bemesting in de bodem terecht komt is daarmee weinig mobiel en hoopt op in de aërobe toplaag van de bodem. Mest NO 3 NH 4 O 2 P Organisch Materiaal Fe(III)OOH-P CO 2 Fe 2+ SO 4 2- FeS x aeroob anaeroob Organisch Materiaal N 2 S 2- Fe 2+ FeS x CO 2 NH 4 P Vaste bodemfracties Figuur 12. Schematische weergave van de veenafbraak (oxidatie van veen) in het veenweidegebied (naar Smolders et al., 213) Sturen op Nutriënten Acacia Water 17

22 Org. Stof (%) Org. Stof (%) Org. Stof (%) Org. Stof (%) Org. Stof (%) 9 Plot 2 Laag peil 9 Plot 3 Laag peil 8 7 N N1 8 7 N N Plot 7 Dynamisch peil 9 Plot 8 Dynamisch peil 8 7 N N1 8 7 N N Plot 13 Hoog peil 8 7 N N Figuur 13. Het organische stofgehalte van de bodem, gemeten in april 214, voor de verschillende proefvakken. Op de x-as wordt het diepte interval gegeven (in cm beneden maaiveld) waarop de monsters zijn verzameld. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. 18 Acacia Water Eindrapportage

23 tot-s (mmol/l) tot-s (mmol/l) tot-s (mmol/l) tot-s (mmol/l) tot-s (mmol/l) N N1 Plot 2 Laag peil N N1 Plot 3 Laag peil Plot 7 Dynamisch peil N N Plot 8 Dynamisch peil N N Plot 13 Hoog peil N N Figuur 14. De totaal-zwavelconcentratie van de bodem (in mmol per liter bodemvolume), gemeten in april 214, voor de verschillende proefvakken. Op de x-as wordt het diepte interval gegeven (in cm beneden maaiveld) waarop de monsters zijn verzameld. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof Sturen op Nutriënten Acacia Water 19

24 tot-fe (mmol/l) tot-fe (mmol/l) tot-fe (mmol/l) tot-fe (mmol/l) tot-fe (mmol/l) 2 Plot 2 Laag peil N N1 2 Plot 3 Laag peil N N Plot 7 Dynamisch peil N N Plot 8 Dynamisch peil N N Plot 13 Hoog peil N N Figuur 15. De totaal-ijzerconcentratie van de bodem (in mmol per liter bodemvolume), gemeten in april 214, voor de verschillende proefvakken. Op de x-as wordt het diepte interval gegeven (in cm beneden maaiveld) waarop de monsters zijn verzameld. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. 2 Acacia Water Eindrapportage

25 tot-p (mmol/l) tot-p (mmol/l) tot-p (mmol/l) tot-p mmol/l) tot-p (mmol/l) 4 Plot 2 Laag peil N N1 4 N N1 Plot 3 Laag peil Plot 7 Dynamisch peil N N1 4 3 Plot 8 Dynamisch peil N N Plot 13 Hoog peil N N Figuur 16. De totaal-fosforconcentratie van de bodem (in mmol per liter bodemvolume), gemeten in april 214, voor de verschillende proefvakken. Op de x-as wordt het diepte interval gegeven (in cm beneden maaiveld) waarop de monsters zijn verzameld. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof Sturen op Nutriënten Acacia Water 21

26 Als gevolg van deze veenoxidatie neemt het organisch stofgehalte en de totaal-zwavelconcentratie van de toplaag van de bodems toe en nemen de totaal- ijzer- en totaal-fosforconcentraties van de toplaag van de bodems af in de diepte (Smolders et al., 213). Dit patroon is ook duidelijk zichtbaar in de proefvakken. De ijzer- en de fosforconcentraties zijn duidelijk hoger in de bovenste 5 cm en het organische stofgehalte en de totaalzwavelconcentratie zijn duidelijk lager in de bovenste 5 cm. De percelen met Dynamische peil hebben een iets afwijkende bodemchemie ten opzicht van de overige percelen. In de bovenste 5 cm is hier het organische stofgehalte en de totaal-zwavelconcentratie duidelijk lager en de totaal- ijzer- en totaal-fosforconcentraties duidelijk hoger dan in de bovenste 5 cm van de overige percelen. Dit kan er op duiden dat er hier (in het verleden) meer veenafbraak heeft plaats gevonden dan in de andere percelen. Het is in ieder geval duidelijk dat de proefpercelen bodemchemisch van elkaar verschillen. Hiermee moet bij de interpretatie van de resultaten rekening gehouden worden Poriewaterchemie In Figuur 17 t/m Figuur 23 worden de resultaten gegeven van de metingen van de poriewaterchemie in de verschillende proefvakken. De poriewaterchemie wordt beïnvloedt door zowel de bodemeigenschappen als de grondwaterstanden in de percelen. Het oorspronkelijke veen is rijk aan gereduceerd zwavel en door de oxidatie van de veenbodems wordt dit geoxideerd tot sulfaat. Het poriewater onder de percelen is dan ook rijk aan sulfaat. Op een diepte van 1 meter laten de sulfaatconcentraties in de loop van de tijd maar weinig variatie zien. Het sulfaat accumuleert door uitspoeling uit de toplaag in de anaerobe diepere bodemlagen. Op 3 cm diepte is de sulfaatconcentratie in het begin van het jaar fors lager dan in de diepere bodemlagen. Vanaf half juni 214 lopen hier de sulfaatconcentraties op tot waardes die juist (veel) hoge liggen dan op 6 cm en 1 cm diepte. Dit is ook de periode waarin de toplaag uitdroogt en de grondwaterstanden diep uitzakken tot (meer dan) een halve meter onder maaiveld (Figuur 7 en Figuur 1).Hierdoor neemt de oxidatie van de toplaag van de bodem fors toe. Het gereduceerde zwavel uit de bodems komt na oxidatie vrij als sulfaat waardoor de sulfaatconcentraties sterk stijgen. Ook nadat de oppervlaktewaterpeilen weer zijn gestegen blijven de sulfaatconcentraties hoog tot aan het einde van de meetperiode in 214 (begin november). Aan het begin van de meetperiode in 215 zijn de sulfaat concentraties in de toplaag van de percelen weer laag en zelf lager dan aan het begin van de meetperiode in 214. De afname tijdens de winterperiode kan verklaard worden door verdunning met regenwater en vooral ook door uitspoeling van sulfaat uit de toplaag van de percelen naar het oppervlaktewater. In de loop van de zomer nemen de concentraties op 3 cm diepte weer toe, In 215 zakte de grondwaterpeilen veel dieper uit dan in 214 (zie Figuur 7 en Figuur 1). Als gevolg hiervan werd in 215 ook de veenbodem geoxideerd op een diepte van 6 cm waardoor ook op deze diepte de sulfaatconcentraties (sterk) toenamen in het poriewater. Oxidatie van gereduceerde zwavelverbindingen (vooral ijzersulfide) kan volledig of onvolledig verlopen. Wanneer de oxidatie onvolledig verloopt komt er behalve sulfaat ook gereduceerd ijzer vrij (reactie 1); bij een volledige oxidatie wordt ook het gereduceerde ijzer geoxideerd tot ijzer(iii)hydroxides (reactie 1 en 2 samen). (1) 2 FeS2 + 7 O2 + 2 H2O 2 Fe SO H + (onvolledige oxidatie) (2) 4 Fe 2+ + O2 + 1 H2O 4 Fe(OH)3 + 8 H + (samen met (2) volledige oxidatie) Uit de reactievergelijkingen (1) en (2) blijkt dat de oxidatie van ijzersulfide (FeSx) leidt tot de productie van zuur (protonen). Via bufferreacties in de bodem kan dit zuur worden geneutraliseerd waardoor er netto geen verzuring (afname van de ph) plaatsvindt. Deze bufferreacties bicarbonaat-buffering (3), oplossen van carbonaten (4) en (5) en kationuitwisseling (6) worden hieronder weergegeven. 22 Acacia Water Eindrapportage

27 S (µmol/l) S (µmol/l) S (µmol/l) S (µmol/l) S (µmol/l) (3) H2CO3 + H + HCO3 - H2O + CO2 (4) CaCO3 + 2 H + Ca 2+ + CO2 + H2O (5) CaMg(CO3)2 + 4 H + Ca 2+ + Mg CO2 + 2 H2O (6) ]-Ca H + ]-2 H + + Ca 2+ Overall betekent dit dat de oxidatie van gereduceerd zwavel leidt tot de vorming van equivalente hoeveelheden sulfaat en calcium+magnesium. De calcium- en magnesiumconcentraties in het poriewater van de veenbodems laten dan ook een zelfde patroon zien als de sulfaatconcentraties. Plot 2: Laag Peil Plot 3: Laag Peil cm N 35 cm N1 6 cm N 6 cm N1 1 cm N Plot 7: Dynamisch Peil Plot 8: Dynamisch Peil Plot 13: Hoog Peil Figuur 17. Het verloop van de sulfaatconcentratie in het poriewater op 3 cm, 6 cm en 1 cm diepte, voor de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. Sturen op Nutriënten Acacia Water 23

28 Fe (µmol/l) Fe (µmol/l) Fe (µmol/l) Fe (µmol/l) Fe (µmol/l) Plot 2: Laag Peil Plot 3: Laag Peil cm N 35 cm N1 6 cm N 6 cm N1 1 cm N Plot 7: Dynamisch Peil Plot 8: Dynamisch Peil Plot 13: Hoog Peil Figuur 18. Het verloop van de ijzerconcentratie in het poriewater op 3 cm, 6 cm en 1 cm diepte, voor de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. 24 Acacia Water Eindrapportage

29 Plot 2: Laag Peil Plot 3: Laag Peil 3 35 cm N 35 cm N1 6 cm N 6 cm N1 1 cm N 3 P (µmol/l) 2 P (µmol/l) Plot 7: Dynamisch Peil Plot 8: Dynamisch Peil 3 3 P (µmol/l) 2 P (µmol/l) jan-15 Plot 13: Hoog Peil 3 P (µmol/l) 2 1 Figuur 19. Het verloop van de fosforconcentratie in het poriewater op 3 cm, 6 cm en 1 cm diepte, voor de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. Sturen op Nutriënten Acacia Water 25

30 Plot 2: Laag Peil Plot 3: Laag Peil cm N 35 cm N1 6 cm N 6 cm N1 1 cm N 1 75 NH 4 + (µmol/l) 5 NH 4 + (µmol/l) Plot 7: Dynamisch Peil Plot 8: Dynamisch Peil NH 4 + (µmol/l) 5 NH 4 + (µmol/l) Plot 13: Hoog Peil 1 75 NH 4 + (µmol/l) 5 25 Figuur 2. Het verloop van de ammoniumconcentratie in het poriewater op 3 cm, 6 cm en 1 cm diepte, voor de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. 26 Acacia Water Eindrapportage

31 Plot 2: Laag Peil Plot 3: Laag Peil 6 35 cm N 35 cm N1 6 cm N 6 cm N1 1 cm N 6 Ca 2+ (µmol/l) 4 2 Ca 2+ (µmol/l) 4 2 Plot 7: Dynamisch Peil Plot 8: Dynamisch Peil 6 6 Ca 2+ (µmol/l) 4 2 Ca 2+ (µmol/l) 4 2 Plot 13: Hoog Peil 6 Ca 2+ (µmol/l) 4 2 Figuur 21. Het verloop van de calciumconcentratie in het poriewater op 3 cm, 6 cm en 1 cm diepte, voor de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. Sturen op Nutriënten Acacia Water 27

32 NO 3 - (µmol/l) NO 3 - (µmol/l) NO 3 - (µmol/l) NO 3 - (µmol/l) NO 3 - (µmol/l) Plot 2: Laag Peil Plot 3: Laag Peil cm N 35 cm N1 6 cm N 6 cm N1 1 cm N Plot 7: Dynamisch Peil Plot 8: Dynamisch Peil Plot 13: Hoog Peil Figuur 22. Het verloop van de nitraatconcentratie in het poriewater op 3 cm, 6 cm en 1 cm diepte, voor de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. 28 Acacia Water Eindrapportage

33 Mg 2+ (µmol/l) Mg 2+ (µmol/l) Mg 2+ (µmol/l) Mg 2+ (µmol/l) Mg 2+ (µmol/l) Plot 2: Laag Peil Plot 3: Laag Peil cm N 35 cm N1 6 cm N 6 cm N1 1 cm N Plot 7: Dynamisch Peil Plot 8: Dynamisch Peil Plot 13: Hoog Peil Figuur 23. Het verloop van de magnesiumconcentratie in het poriewater op 3 cm, 6 cm en 1 cm diepte, voor de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. De ijzerconcentraties zijn op 1 meter diepte jaar rond laag. Dit komt omdat dieper in de bodem er permanent gereduceerde condities heersen waardoor het ijzer ook permanent in gereduceerde vorm (Fe 2+ ) aanwezig is in de vorm van slecht oplosbare ijzersulfides (FeSx) of ijzercarbonaat (FeCO3). Ook zijn de totaal-ijzerconcentraties per liter bodemvolume hier lager ( zie Figuur 15) In de geoxideerde toplaag van de bodems is veel ijzer aanwezig in geoxideerde vorm. Onder natte condities wordt dit ijzer gereduceerd tot het relatief goed oplosbare Fe 2+. We zien dat in de toplaag van de bodems bij een hoge grondwaterstand de ijzerconcentratie van het poriewater relatief hoog is. Bij een dalende Sturen op Nutriënten Acacia Water 29

34 grondwaterstand wordt het ijzer weer geoxideerd waardoor slecht oplosbare ijzer(iii)hydroxides ontstaan. Op dertig cm diepte daalt de ijzerconcentraties vanaf begin juni 214 tot zeer lage waardes in de maand juli. Het verloop van de ijzerconcentratie verschilt vervolgens sterk tussen de percelen. Met uitzondering van perceel 2 blijven de ijzerconcentraties op 3 cm diepte laag tot aan het einde van het jaar 214. In perceel 2 zien we de ijzerconcentratie eind augustus/begin september fors oplopen waarna deze weer sterk daalt. Een dergelijke kortstondige toename van de ijzerconcentratie vindt ook plaats in de andere percelen maar is hier veel minder sterk. Deze tijdelijke toename van de ijzerconcentratie gaat samen met een tijdelijke stijging van de grondwaterstanden eind augustus/begin september 214. Hierdoor vindt er tijdelijk weer reductie plaats van geoxideerd ijzer. De toename is het meest duidelijk in perceel 2 omdat hier de grondwaterstanden in deze periode ook het sterkst stijgen (tot 1 cm onder maaiveld, Figuur 7). Op zichzelf lijkt dit vreemd omdat het hier gaat om een perceel met een permanent laag slootpeil. Dit laat in ieder geval zien dat het verloop van de grondwaterstanden en de bodemchemie maar in beperkte mate gestuurd worden door het slootpeilbeheer. In perceel 2 en 3, de percelen met een permanent laag slootpeil, treedt in 215 ook een sterke variaties op in de ijzerconcentratie op 6 cm diepte. Deze laten in deze percelen een duidelijke daling zien gedurende de meeste droge periode waarin de waterpeilen in deze percelen uitzakte tot meer dan 6 cm onder maaiveld. In 215 zakken de grondwaterstanden al vroeg in het jaar uit tot meer dan 3 cm onder maaiveld, wat weer gepaard gaat met een daling van de ijzerconcentraties op 3 cm diepte in de bodem. Vanaf begin juni 215 zakken de grondwaterpeilen in de percelen voor een langere periode, tot half augustus, dieper dan 6 cm onder maaiveld. Hierdoor wordt ook het opgeloste gereduceerde ijzer op 6 cm diepte geoxideerd waardoor ook op deze diepte de ijzerconcentraties scherp dalen. Vanaf half augustus stijgen de grondwaterstanden weer tot boven de 6 cm onder maaiveld waardoor de ijzerconcentraties op 6 cm diepte weer stijgen als gevolg van ijzerreductie. Vanaf begin september 215 stijgen de ijzerconcentraties ook weer op een diepte van 3 cm, omdat de grondwaterstanden in de percelen ondertussen weer zijn gestegen tot minder dan 3 cm onder maaiveld. Vanaf begin oktober dalen op de percelen met een laag en flexibel waterpeil de grondwaterstanden weer tot beneden de 4 cm onder maaiveld (Figuur 7) waardoor ook de ijzerconcentratie op 3 cm diepte weer wat daalt. Op perceel 13, met een hoog slootwaterpeil, dalen de grondwaterstanden in oktober minder ver waardoor hier geen afname van de ijzerconcentratie wordt gemeten in het najaar. De ijzerconcentraties in het poriewater op 3 en 6 cm diepte volgen dus erg mooi de grondwaterstanden. De ijzerconcentraties nemen sterk af wanneer de waterstanden wegzakken tot onder de poriewaterbemonsteraars en nemen sterk toe wanneer de bodem op deze diepte waterverzadigd is. De fosforconcentraties in het poriewater laten nauwelijks seizoenvariaties zien op een diepte van 1 meter onder maaiveld. De waardes liggen hier, afhankelijk van het proefvak, tussen de 1 en 15 µmol/l. De mobiliteit van fosfor is op deze diepte hoog omdat het ijzer hier jaarrond in gereduceerde vorm aanwezig is. Gereduceerd ijzer is slecht in staat om P te binden, waardoor de mobiliteit van het fosfor hier relatief hoog is, ondanks de lagere totaal-p concentraties van de bodem op deze diepten (Figuur 16). Op 3 cm diepte is de P concentratie van het poriewater relatief laag. Dit komt omdat in de toplaag van de bodems veel geoxideerd ijzer aanwezig is waaraan fosfor goed bindt. Hierdoor is fosfor relatief immobiel in de toplaag van de veenbodems. Wel zien we dat bij dalende waterpeilen de fosforconcentratie op 3 cm diepte afneemt en dat deze bij hogere waterstanden toeneemt. In sommige percelen is dit duidelijker te zien dan in andere. Dit komt omdat onder geoxideerde condities er meer ijzer in geoxideerde vorm aanwezig is waardoor het fosfaat beter wordt geïmmobiliseerd. Op 6 cm diepte volgt het verloop van de fosforconcentratie min of meer het verloop van ijzerconcentratie. Wanneer ijzer wordt geoxideerd neemt de mobiliteit van fosfor af en wanneer ijzer wordt gereduceerd neemt de mobiliteit van fosfor toe. Als gevolg van de diep uitzakkende waterstanden in 215 wordt hier het gereduceerd ijzer geoxideerd tot slecht oplosbare ijzer(iii)hydroxides, waaraan fosfor goed gebonden wordt. De fosforbeschikbaarheid neemt hierdoor af. Opvallend is dat na de zeer droge periode in 215 de fosforconcentraties op 6 cm diepte in veel percelen lager blijven dan voor de droge periode. Dit hangt samen met de oxidatie van ijzersulfides (o.a. pyriet) in de bodem. Als gevolg van de 3 Acacia Water Eindrapportage

35 oxidatie van ijzersulfide is er niet alleen veel sulfaat vrijgekomen maar is er ook veel geoxideerd ijzer ontstaan (zie reacties 1 en 2). Hierdoor wordt na de stijging van de grondwaterstanden het fosfaat nog relatief goed gebonden aan de nieuw gevormde ijzer(hydr)oxides. Deze ijzer(hydr)oxides zullen geleidelijk aan weer worden gereduceerd waardoor het fosfaat weer vrij zal komen. Dat er geoxideerd ijzer wordt gevormd door oxidatie van ijzersulfides blijkt ook uit het feit dat na stijging van de grondwaterstanden in een aantal percelen de ijzerconcentraties tijdelijk kunnen oplopen tot waardes die veel hoger zijn dan voor het uitzakken van de waterstanden. Ammonium komt vrij bij de afbraak van organisch materiaal en accumuleert in het poriewater. Wanneer het in contact komt met zuurstof kan het worden geoxideerd tot nitraat (nitrificatie). Het nitraat kan in de anaërobe onderwaterbodems weer worden genitrificeerd tot stikstofgas (N2) of lachgas (N2O) waarna het verdwijnt uit het systeem. De ammoniumconcentratie is relatief constant op een diepte 1 meter onder maaiveld. Op deze diepte heersen jaarrond zuurstofarme condities waardoor hier nauwelijks oxidatie plaatsvindt van ammonium. In 214 is ook op 6 diepte de ammoniumconcentratie constant hoog maar in 215 vindt er als gevolg van het dieper uitzakken van de grondwaterstanden ook oxidatie plaats van ammonium op een diepte van 6 cm, waardoor de concentraties hier afnemen. Na het stijgen van de grondwaterstanden blijven de ammoniumconcentratie in de meeste percelen, tot aan het einde van de meetperiode, lager dan voor het uitzakken van de grondwaterstanden. Op 3 cm diepte is de ammoniumconcentratie hoger bij hoge waterpeilen en neemt af vanaf het moment dat de waterpeilen dalen. Aan het einde van het jaar zien we de ammoniumconcentratie als gevolg van de hogere grondwaterstanden weer stijgen. Bij een lager grondwaterpeil wordt het ammonium geoxideerd tot nitraat. Opvallend is dat deze afname van de ammoniumconcentratie in 214 maar in beperkte mate samengaat met een toename van de nitraatconcentratie. Dit duidt erop dat het nitraat in diepere nog anaerobe delen van de bodem wordt gereduceerd tot stikstofgas (denitrificatie) of dat het nitraat wordt opgenomen door diepe wortels van de vegetatie. In 215 zakt de grondwaterstand veel dieper uit en we zien dat met name na een aantal regenbuien vanaf eind juli de nitraatconcentratie op 3 cm in een aantal percelen tijdelijk erg hoog oplopen. Het gaat hierbij met name om percelen die bemest zijn met stikstof. Het kan hierbij gaan om uitspoeling van nitraat vanuit de toplaag maar ook om stikstof dat vrijkomt uit de mineralisatie van veen op 3 cm diepte, Dit veen is in 215 als gevolg van de langdurige diep uitzakkende waterstanden in veel sterkere mate geoxideerd dan in 214. Onder te droge omstandigheden wordt de mineralisatie van stikstof echter geremd maar na een aantal regenbuien kan de bodem vochtig genoeg worden om de stikstofmineralisatie weer op gang te brengen. Opvallend is dat er maar weinig duidelijke verschillen zijn die samen lijken te hangen met de verschillende slootwaterpeilen, of het al dan niet bemesten met stikstof. Met name het verloop van de ijzer- en de fosforconcentraties op 6 cm diepte lijkt beïnvloed te worden door de wat dieper uitzakkende grondwaterstanden in de percelen met een permanent laag slootwaterpeil. De verschillende tussen de percelen worden met name beïnvloed door lokale bodemcondities en grondwaterstanden. Uiteraard zijn deze direct bepalend voor de poriewaterkwaliteit en niet de gehanteerde slootwaterpeilregime. De grondwaterstanden in de proefvakken worden primair beïnvloed door neerslag en verdamping Drainage In de Figuur 24 worden de resultaten gegeven van de analyses die werden uitgevoerd aan het water in de onderwaterdrains. De onderwaterdrains voeren water aan vanuit de sloot naar de percelen zolang het waterpeil in de sloten hoger staat dan de grondwaterstand in de percelen. Wanneer de grondwaterstand in de percelen hoger staat dan de slootwaterstand zullen de drains water afvoeren van de percelen naar de sloot. Voor de drain van locatie 7 zien we dat er in 214 pieken optreden in de calcium-, magnesium- en sulfaatconcentratie. Deze pieken vallen samen met periodes waarin de Sturen op Nutriënten Acacia Water 31

36 Fe (µmol/l) K (µmol/l) P (µmol/l) NH 4 + (µmol/l) Ca (µmol/l) NO 3 - (µmol/l) SO 4 2- (µmol/l) Mg (µmol/l) 25 2 Drain plot 7 Drain plot 8 Sloot Figuur 24. Het verloop van de sulfaat, calcium-, magnesium-, nitraat-, fosfor- en ammoniumconcentratie in bemonsterde onderwaterdrainagebuizen van proefvak 7 en proefvak 8. In de grafiek wordt ook het verloop van de waterkwaliteit geven voor de sloot waarin de drains uitkomen. De concentraties worden gegeven in µmol per liter water. waterstanden als gevolg van neerslag in de percelen stegen en het waterpeil in de sloten werd verlaagd om water uit de percelen versneld af te voeren (zie Figuur 7, hydrologie). De concentraties sulfaat, calcium en magnesium, zijn veel hoger in het perceel dan in de sloot. De toenames van de concentraties in deze drain in 214 laten dan ook zien dat de drain daadwerkelijk water uit het perceel afvoert. In de 32 Acacia Water Eindrapportage

37 drain bij perceel 8 zien we deze pieken niet terug. Dit suggereert mogelijk dat deze drain in 214 minder goed functioneert. In 215 wordt het waterpeil in de sloot tot begin mei en vanaf begin september lager gehouden dan het waterpeil in het perceel waardoor de drains in deze periode water afvoeren vanuit de percelen naar de sloot. Tussen begin mei en begin september wordt het waterpeil in de sloot opgezet waardoor de drains dan netto water vanuit de sloot aanvoeren naar het perceel. We zien dit in 215 duidelijke terug in de drains. Tussen mei en september 215 zijn de sulfaat en de ammoniumconcentraties in de drains veel lager omdat er veel minder sulfaat en ammoniumrijk water uit de sloten de drains in loopt. Eenzelfde patroon zien we voor ijzer en kalium. Daarvoor en daarna zijn de sulfaat-, ijzer kalium en ammoniumconcentraties hoger omdat de drains dan juist netto water afvoeren uit de percelen. Sommige pieken in het oppervlaktewater vallen ook samen met pieken in de drains. Opvallend is dat de ammonium- en fosforconcentraties van het water in de drains altijd hoger zijn dan de concentraties die worden gemeten in het slootwater, ook wanneer er water vanuit de sloten in de percelen infiltreert via de drains Een mogelijke verklaring hiervoor is dat de buizen deels zijn gevuld met veen/bagger. De ammonium en fosforconcentratie in de buizen wordt dan mede bepaald door de uitwisseling tussen het veen/bagger in de buis en het hierin aanwezig water. Dit zou ook kunnen verklaren waarom de sulfaatconcentraties in de drainage buizen vaak lager zijn dan de concentraties in het slootwater. Reductie van sulfaat tot sulfide in de buizen kan leiden tot lagere sulfaatconcentraties en tevens tot verhoogde ammonium- en fosfaatconcentraties. We zien dat in de periode dat de buizen in 215 water afvoeren van de percelen er sprake is van een duidelijke toename van de sulfaatconcentratie van het slootwater. Ook voor ijzer, kalium calcium em magnesium zien we, zei het meestal minder sterk, een toename van de concentraties in de sloten vanaf september. De fosforconcentratie in het slootwater neemt vanaf september 215 af terwijl de uitspoeling via de drains juist hoger moet zijn. Dit heeft mogelijk te maken met de gelijktijdige toename van de uitspoeling van ijzer via de drains. De aanvoer van ijzer naar de zuurstofhoudende sloot leidt tot de vorming van ijzer(hydr)oxides in het oppervlaktewater. Deze ijzer(hydr)oxides binden opgelost fosfaat in de waterlaag en zakken uit naar de bodem omdat ze slecht oplosbaar zijn. Ook de ammonium- en nitraatconcentraties in de waterlaag nemen niet toe ondanks dat er sprake moet zijn van aanvoer via de drains, waarschijnlijk als gevolg van gekoppelde nitrificatie/denitrificatie in het watersysteem Oppervlaktewater In de Figuur 25 en Figuur 26 worden de resultaten gegeven van de analyses die werden uitgevoerd aan het oppervlaktewater uit de sloten. De sloot met een permanent laag waterpeil heeft jaarrond een lager waterpeil dan de grondwaterpeilen in de percelen (gemiddeld 57 cm onder maaiveld). Het verloop van de sulfaat-, calcium- en magnesiumconcentraties van het slootwater laten hetzelfde patroon zien. Dit kan verklaart worden door uitspoeling van water uit de percelen waarin sulfaat, calcium en magnesium als gevolg van de veenoxidatieprocessen in equivalente hoeveelheden voorkomen (zie Figuur 25). De daling van de concentraties in de zomer, heeft te deels te maken met de inlaat van oppervlaktewater, dat armer is aan deze ionen. De concentraties blijven vervolgens ook laag in de zomer periode omdat in deze droge periode de uitspoeling vanuit de percelen veel lager is. In Figuur 26, wordt het stijghoogte verschil (dh) tussen de sloot en de grondwaterstanden in het perceel (gemeten in de diverreeksen), gegeven. We zien dat voor de sloot met een laag waterpeil er gedurende het overgrote deel van het jaar sprake is van hogere waterstanden in de percelen dan in de sloot (dh >). Het verloop van de sulfaatconcentratie volgt mooi het verloop van de dh. Dit laat zien dat er bij een positief stijghoogteverschil sulfaatrijk water uitspoelt naar de sloten. Tussen begin juni en half augustus 215 staat het waterpeil in de percelen lager dan het slootpeil. Er vindt in deze periode dan ook geen uitspoeling plaats van sulfaat en de concentraties in het slootwater nemen zeer sterk af. Deze afname wordt versterkt door reductie van sulfaat in de onderwaterbodems, die fors is in de warme zomermaanden. Wanneer de waterpeilen in het perceel in de zomer weer stijgt tot boven het Sturen op Nutriënten Acacia Water 33

38 SO 4 2- (µmol/l) HCO 3 - (µmol/l) Na (µmol/l) Cl (µmol/l) Ca (µmol/l) Mg (µmol/l) slootwaterpeil stijgt de sulfaatconcentratie in het slootwater weer sterk als gevolg van de uitspoeling uit de percelen. In de sloten met een dynamisch (fluctuerend tussen 16 en 43 cm onder maaiveld) en permanent hoog waterpeil (gemiddeld 22 cm onder maaiveld) zijn de sulfaat-, calcium- en magnesiumconcentraties jaarrond veel lager. Hier vindt minder uitspoeling naar de sloten plaats vanuit de percelen en ook is het volume aan oppervlaktewater voor deze sloten veel groter. Voor deze sloten is, met name in de zomer van 215, er voor een langere periode sprake van een situatie waarbij de waterpeilen in de sloten hoger staan dan in de percelen. Daarnaast is in natte periodes het verschil tussen de waterstanden in de percelen en de waterstanden in de sloten ook kleiner (lagere dh). Hierdoor vindt er ook minder uitspoeling plaats van sulfaat uit de percelen zoals ook duidelijk te zien is in de resultaten. 3 Sloot laag peil Sloot dynamisch peil Sloot hoog peil Acacia Water Eindrapportage

39 25 2 Sloot laag peil Sloot dynamisch peil Sloot hoog peil SO 4 2- (µmol/l) d H(cm) SO 4 2- (µmol/l) d H(cm) dh (cm) SO 4 2- (µmol/l) d H(cm) 12 1 totaal-p (µmol/l) 15 1 ortho-p (µmol/l) feb-16 jan-15 feb-16 jan NH 4 + (µmol/l) 2 NO 3 - (µmol/l) jan-15 feb-16 Figuur 25. Het verloop van de totaal-p- ortho-p-, ammonium- en nitraatconcentraties in de sloten die grensen aan de proefvakken met een permanent laag -, permanent hoog en een dynamische slootwaterpeilbeheer. De concentraties worden gegeven in µmol per liter water. jan-15 feb-16 8 Sloot laag peil Sloot dynamisch peil Sloot hoog peil Sloot laag peil d H Sloot dynamisch peil d H Figuur 26. Het verschil tussen de grondwaterstanden in de percelen en de sloot (= dh = grondwaterstand in perceel waterstand in sloot) (linksboven) en het verloop van de dh ende sulfaatconcentratie in het oppervlaktewater van de sloten (laag waterpeil, dynamisch waterpeil en hoog waterpeil) Sloot hoog peil d H Sturen op Nutriënten Acacia Water 35

40 In 215 zien we dat na de zomer de sulfaatconcentraties in de sloten met een dynamisch en een permanent hoog waterpeil hoger oplopen dan in in 214, Dit terwijl de dh niet duidelijk anders is (figuur x). Dit kan worden verklaard doordat er in 215 als gevolg van de veel dieper uitzakkende grondwaterstanden er door oxidatie veel meer sulfaat is vrijgekomen in de percelen waardoor de belasting van de sloten ook hoger is. Ook is mogelijk de uitspoeling vanuit de oevers hoger geweest in 215. De bicarbonaatconcentratie is lager in de sloot met een hoog waterpeil dan in de andere sloten. Dit komt omdat in deze sloot meer regenwater wordt vastgehouden in de natte periode. Hierdoor stijgt ook de bicarbonaatconcentratie in deze sloot in de periode waarin bicarbonaatrijk water moet worden ingelaten om het waterpeil hoog te houden. De sloot met de hoogste waterstand wordt gekenmerkt door de laagste nutriëntenconcentraties in de waterlaag. De sloot met het dynamische waterpeil heeft duidelijk de hoogste concentraties aan fosforen ortho-fosfaat in de waterlaag. Het lijkt er dus op dat door het dynamische waterpeil in combinatie met de onderwaterdrainage de fosforbelasting van de sloot toeneemt. De fosfaatconcentraties pieken echter ook op momenten dat het waterpeil in de sloten veel hoger is dan het waterpeil in de percelen. Dit kan mogelijk deels verklaard worden door de inlaat van fosfaatrijk oppervlakte maar waarschijnlijk speelt met name ook de nalevering van fosfor uit de onderwaterbodem van de sloot een grote rol. Ook in de sloot met een laag waterpeil treden regelmatig hoge fosfaatpieken op. In de sloot met een laag waterpeil worden vaker hoge ammonium- en nitraatconcentraties in het oppervlaktewater gemeten. Met name in het najaar van 214 lopen de ammoniumconcentraties op tot zeer hoge waarden. De sloot met het permanent lage waterpeil wordt waarschijnlijk meer beïnvloed door uitspoeling van ammonium uit de percelen. Door een hoog waterpeil te handhaven kan er ook meer regenwater worden vastgehouden waardoor het water ook minder hard wordt (lagere calcium en bicarbonaatconcentraties). In de sloot met het hoogste waterpeil groeit Krabbescheer. Dit komt goed overeen met de gemeten waterkwaliteit: matig voedselrijk, met een niet te hoge waterhardheid en sulfaatconcentratie. Een hoge sulfaatbelasting van het oppervlakteater is niet gunstig. In tegenstelling tot de landbodem zijn de onderwaterbodems permanent waterverzadigd en hierdoor nagenoeg zuurstofloos. In de meeste gevallen zijn in permanent anaërobe organische bodems andere elektronenacceptoren (zuurstof, nitraat, en driewaardig ijzer) in onvoldoende mate aanwezig, waardoor sulfaat in deze bodems fungeert als alternatieve elektronenacceptor in plaats van zuurstof. Hierdoor wordt de afbraak van organisch materiaal versneld. De sulfaatbelasting van een watersysteem zal dan ook in belangrijke mate bijdragen aan de afbraak van organisch materiaal in de anaërobe onderwaterbodem. Bij deze afbraak komen nutriënten vrij in de vorm van fosfaat en ammonium, en wordt ook sulfide gevormd. Het vrij sulfide bindt aan ijzer dat aanwezig is in de onderwaterbodem, waardoor de mobiliteit van ijzer afneemt, en tevens de binding van fosfor aan ijzer(hydr)oxiden verminderd wordt (Lamers et al., 1998; Smolders et al., 26). Naarmate een groter deel van het ijzer in de bodem gebonden is aan sulfide zal de ijzerconcentratie van het bodemwater dalen. Ook zal er minder fosfaat gebonden kunnen worden in de bodem, waardoor de fosfaatconcentratie in het bodemwater van de onderwaterbodem stijgt (Smolders et al., 1993; Smolders et al., 26). Uiteindelijk kan er ook sulfide ophopen in de onderwaterbodem. Dit sulfide is giftig voor vele wortelende waterplanten (Lamers et al., 1998; 213). Sulfaatreductie leidt ook tot een stijging van de alkaliniteit (bicarbonaatconcentratie) van het water Nutriëntenbeschikbaarheid in de toplaag In de Figuur 27 t/m Figuur 29 worden de resultaten gegeven van de bodemanalyses van de toplaagmonsters die wekelijks werden verzameld. Er treden grote verschillen op tussen de verschillende percelen. De toplaag van de bodems is duidelijk droger voor de proefvakken 7 en 8, de percelen met een dynamisch peilbeheer. Zoals verwacht zijn de bodems het vochtigst voor het proefvak met de hoogste grondwaterstand. De bodems van de percelen grenzend aan een sloot met een permanent lage slootwaterstand zijn echter maar een beetje droger. De verschillen in de bodemvochtigheid van de toplaag hangen vooral samen met de verschillen in organisch stofgehalte van 36 Acacia Water Eindrapportage

41 NO 3 - (µmol/l) Vochtgehalte (%) NO 3 - (µmol/l) Vochtgehalte (%) NO 3 - (µmol/l) Vochtgehalte (%) NO 3 - (µmol/l) Vochtgehalte (%) NO 3 - (µmol/l) Vochtgehalte (%) de bodems. De bodem uit de proefvakken 7 en 8, hebben duidelijk een lager organisch stofgehalte waardoor deze bodems ook minder goed in staat zijn om vocht vast te houden. 75 Plot 2: Laag Peil -1cm N -1 cm N1 Vocht N Vocht N Plot 3: Laag Peil Plot 7: Flexibel Peil 75 Plot 8: Flexibel Peil Plot 13: Hoog Peil Figuur 27. Het verloop van de nitraatbeschikbaarheid in de toplaag van de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. Sturen op Nutriënten Acacia Water 37

42 P (µmol/l) Vochtgehalte (%) P (µmol/l) Vochtgehalte (%) P (µmol/l) Vochtgehalte (%) P (µmol/l) Vochtgehalte (%) P (µmol/l) Vochtgehalte (%) 3 Plot 2: Laag Peil -1cm N -1 cm N1 Vocht N Vocht N1 7 3 Plot 3: Laag Peil Plot 7: Flexibel Peil 3 Plot 8: Flexibel Peil Plot 13: Hoog Peil Figuur 28 Het verloop van de fosforbeschikbaarheid in de toplaag van de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. 38 Acacia Water Eindrapportage

43 3 Plot 2: Laag Peil -1cm N -1 cm N1 Vocht N Vocht N1 7 3 Plot 3: Laag Peil 7 NH 4 + (µmol/l) Vochtgehalte (%) NH 4 + (µmol/l) Vochtgehalte (%) Plot 7: Flexibel Peil Plot 8: Flexibel Peil 7 NH 4 + (µmol/l) Vochtgehalte (%) NH 4 + (µmol/l) Vochtgehalte (%) 3 3 Plot 13: Hoog Peil 7 NH 4 + (µmol/l) Vochtgehalte (%) 3 Figuur 29. Het verloop van de ammoniumbeschikbaarheid in de toplaag van de verschillende proefvakken. N staat voor het proefvak dat niet bemest werd met stikstof en N1 voor het proefvak dat wel bemest werd met stikstof. De concentraties worden gegeven in µmol per liter poriewater. Het vochtgehalte laat een duidelijke variatie zien in de loop van de tijd. Tussen half juni en eind juli 214 is er sprake van een zeer droge periode met weinig regenval waarin het vochtgehalte van de toplaag van de bodems sterk afneemt. Vanaf augustus 214 neemt het vochtgehalte van de toplaag van de bodem geleidelijk toe tot aan het einde van de meetperiode. In 215 drogen de toplagen van de bodems veel sterker uit dan in 214. De vochtgehaltes blijven voor een veel langere periode laag. Helaas missen we in de herfst van 215 de bodemanalyses voor een aantal tijdstippen. Door een misverstand zijn er voor deze data geen bodems verzameld door het VIC. We zien voor vrijwel alle percelen dat de nitraatconcentratie in de toplaag van de bodems afneemt in de periodes met een verlaagd vochtgehalte van de bodem. Vanaf augustus 214 neemt het vochtgehalte van de bodem sterk toe en we zien dat dit Sturen op Nutriënten Acacia Water 39

44 N opbrengst (kg/ha) N opbrengst (kg/ha) % N % N gepaard gaat met een toename van de nitraatconcentratie in een aantal percelen. Als gevolg van droge bodemcondities wordt de mineralisatie van stikstof geremd waardoor de concentraties extraheerbaar stikstof achterblijven. Als gevolg van de veel drogere condities in 215 is de stikstofbeschikbaarheid in de zomer van 215 overwegend lager dan in 214. Overigens is het verloop van de nitraatbeschikbaarheid in de proefvakken niet te herleiden tot het waterpeilbeheer in de sloten. De nitraatbeschikbaarheid van de toplaag van de bodems verschilt vaak sterk tussen proefvakken met hetzelfde slootpeilbeheer. Ook wordt in proefvakken die bemest worden met stikstof niet altijd een hogere nitraatbeschikbaarheid in de toplaag gemeten. De stikstofconcentraties in de grassen zijn consequent hoger in de proefvakken die bemest werden met stikstof. Opvallend is echter dat de nitraatconcentraties in de bodems niet consequent hoger zijn in de met stikstofbehandelde proefvakken. Alleen voor perceel3 was dit duidelijk wel het geval in 214. Door de grassen wordt het opgebrachte stikstof gemakkelijk opgenomen met de wortels waardoor de stikstofgift blijkbaar niet in de bodem wordt terug gemeten. 4,5 214 Snede 1 Snede 2 4, , Snede 3 Snede 4 4, Snede 5 3,5 N Snede 1 3,5 N Snede 2 3, N Snede 3 N Snede 4 3, N Snede 5 2,5 2,5 2, 2, 1, Gewas opbrengst (kg ds/ha) , Gewas opbrengst (kg ds/ha) Gewas opbrengst (kg ds/ha) Gewas opbrengst (kg ds/ha) Figuur 3. Het % stikstof in het gras (links) en de totale stikstof opbrengst per hectare (onder), uitgezet tegen de totale gewasopbrengst voor de verschillende snedes in 2o14 en 215. N staat voor proefvakken die niet bemest werden met stikstof en N1 voor proefvakken die wel bemest werden met stikstof. 4 Acacia Water Eindrapportage

45 P opbrengst (kg/ha) P opbrengst (kg/ha) % P % P,55,5 214 Snede 1 Snede 2 Snede 3,55,5 215 Snede 4,45 Snede 5,45 N Snede 1,4 N Snede 2 N Snede 3,4,35 N Snede 4 N Snede 5,35,3,3,25,25, Gewas opbrengst (kg ds/ha), Gewas opbrengst (kg ds/ha) Gewas opbrengst (kg ds/ha) Gewas opbrengst (kg ds/ha) Figuur 31. Het % fosfor in het gras (boven) en de totale fosforopbrengst per hectare (onder), uitgezet tegen de totale gewasopbrengst voor de verschillende snedes in 214 en 215. N staat voor proefvakken die niet bemest werden met stikstof en N1 voor proefvakken die wel bemest werden met stikstof. Op 25 juli 214, aan het einde van de droge periode, werd snede 3 geoogst. De gewasopbrengst bleef sterk achter bij de opbrengsten bij de snede 1, 2 en 4 (hoofdstuk 6). Alleen bij de laatste snede (aan het einde van het groeiseizoen) was de opbrengt nog lager. Deze lagere opbrengt hangt zeer waarschijnlijk samen met de droge bodemcondities in juni en juli. Het stikstofgehalte van de grassen was relatief hoog, maar de totale hoeveelheid stikstof die werd afgevoerd via de oogst was juist laag. Het is dus niet waarschijnlijk dat de lagere nitraatbeschikbaarheid in de bodem werd veroorzaakt door de verhoogde opname van stikstof door de grassen in deze periode. Deze lijkt veeleer samen te hangen met de drogere bodemcondities waardoor de mineralisatie van organische materiaal afneemt. Opvallend is dat de gewasopbrengsten in 215 ondanks de drogere omstandigheden in de toplaag van de bodem niet achterblijven ten opzichte van 214. In de percelen die met stikstof werden bemest (Figuur 34) zijn de opbrengsten in de verschillende snedes zelfs hoger. Wel blijven de stikstofconcentraties in de grassen en hiermee ook de stikstofopbrengsten in de niet met N bemeste percelen in 216 veel sterker achter ten opzichte van de met N bemeste percelen. Dit heeft mogelijk met de achterblijvende mineralisatie te maken waardoor in de controlepercelen zonder stikstof bemesting de stikstofbeschikbaarheid achterbleef. Ook is het mogelijk dat er sprake is van een na-ijleffect. De percelen zonder stikstofbemesting hebben namelijk in 213 nog wel stikstof ontvangen, waardoor het verschil in stikstofbeschikbaarheid mogelijk sterker is geweest in 215 dan in 214. Dit alles laat in ieder geval zien dat de gemeten stikstofconcentraties in de toplaag van de bodems niet direct vertaald kan worden naar gewasopbrengsten of naar stikstofconcentraties in de grassen. In de toplaag van de bodems wordt in principe de resultante gemeten van een toename van stikstof door mineralisatie en Sturen op Nutriënten Acacia Water 41

46 een opname van stikstof door plantenwortels. Hierdoor kan de beschikbaarheid van stikstof groter of kleiner zijn geweest dan de gemeten concentraties doen vermoeden. Ook het feit dat de stikstofbemesting niet eenduidig terug te meten is in de anorganische stikstofconcentraties in de toplaag duidt hier op. Opvallend is verder dat de fosforconcentraties in de grassen lager zijn in 215 dan in 214. Voor een aantal snedes zou dit kunnen worden verklaard door een hogere gewasopbrengst. Maar er kan ook sprake zijn geweest van een verminderde benutting van het via de bemesting toegediende fosfor. Onder drogere omstandigheden kan dit fosfor sneller binden aan ijzer(hydr)oxides in de bodems waardoor de planten minder tijd hebben om het op te nemen. Dit zou kunnen verklaren waarom de extraheerbare P concentraties in de zomer van 215 hoger waren dan in 214. Dit aan de bodem gebonden fosfaat kan pas na desorptie in het poriewater worden opgenomen door de planten. Het is dan ook mogelijk dat de planten minder fosfaat kunnen opnemen onder droge omstandigheden omdat de totale pool van in het poriewater opgelost fosfor veel lager is. 42 Acacia Water Eindrapportage

47 6 Grasopbrengsten 6.1 Meetplan Op de proefpercelen is voor het bepalen van de grasopbrengsten per perceel een proefveld aangelegd waarvan per snede de opbrengsten zijn bepaald door middel van maaien. Op elk proefveld lagen vier maaistroken, waarvan volgens loting twee stroken wel met stikstof werden bemest en twee stroken niet met stikstof werden bemest. Het gras werd vers gewogen, gedroogd en terug gewogen om het droge stofgehalte van het gras te bepalen. Op de proefpercelen met dynamisch peilbeheer lagen de proefveldjes op zowel de gedraineerde als de ongedraineerde gedeelten van het perceel en op de percelen met een vast laag en een vast hoog peil lagen de proefveldjes vanuit kosten overwegingen alleen op de ongedraineerde gedeelten. De eerste snede werd gemaaid bij een opbrengstniveau van 3-35 kg droge stof per ha. De daarop volgende snede werden volgens een maairegime van om de vijf à zes weken maaien geoogst. De grasopbrengsten maakten geen deel uit van de initiële opzet van het project maar is op eigen kosten van het uitvoerende consortium uitgevoerd. Een statistische analyse kon niet worden uitgevoerd omdat de proef niet gebalanceerd was en omdat het aantal herhalingen te klein was. Het geeft wel inzicht in de opbrengst in relatie tot nutriënten. Om de effecten op stikstoflevering en stikstofbenutting te kwantificeren zijn twee bemestingsniveaus gehanteerd, namelijk geen stikstofbemesting (N) en stikstofbemesting volgens praktijkniveau (N1). Voor de N1 velden werd een stikstofbemestingsniveau gehanteerd van 225 kg N per ha, De N-velden kregen geen N toegediend. Alle velden kregen wel fosfaat (P2O5) en kali (K2O) toegediend. De bemestingshoeveelheden N, P2O5 en K2O staan in Tabel 3. De overige perceelsoppervlakte werd bemest conform de praktijk met zowel drijfmest als kunstmest. Tabel 3. Snedezwaarte en bemestingshoeveelheden N, P2O5 en K2O per proefperceel Snede totaal N (kg per ha) P2O5 (kg per ha) K2O (kg per ha) Resultaten Droge stofopbrengst In 214 en 215 werden op de proefveldjes 5 sneden gras geoogst op de volgende data: Snede Snede Snede Snede Snede Sturen op Nutriënten Acacia Water 43

48 De gemiddelde droge stofopbrengst per onderzoeksobject staat in Tabel 4. Daarbij is onderscheid gemaakt in jaar, peilregime en de subbehandelingen wel of geen stikstofbemesting en wel of geen onderwaterdrains. In Bijlage 4 staan per jaar de droge stofopbrengsten uitgesplitst per peilregime, per perceel, per subbehandeling per snede en totaal. Tabel 4. Grasopbrengst (kg ds.ha -1 ) per behandeling (N: geen N-bemesting, N1: wel N-bemesting), per snede en totaal. Het verschil tussen wel en geen drains is alleen bepaald bij Dynamisch peil Behandeling Snede 214 Totaal Snede 215 Totaal Vast laag Vast hoog Dynamisch N N Geen drains (C) Drains (D) Volgens verwachting waren de opbrengsten bij wel stikstofbemesting aanzienlijk hoger dan bij niet stikstofbemesting, aangezien stikstof een belangrijke groeifactor is. De verschillen tussen peilregimes en wel of geen drains waren veel kleiner en over de jaren heen niet eenduidig Het verschil tussen peilregimes en wel of geen drains is veel kleiner en zijn niet eenduidig. Opvalt dat er jaarverschillen zijn: 1. De opbrengst van Vast laag peil was in 215 duidelijk lager dan die van de beide andere peilregimes door een lagere opbrengst van de eerste snede. In 214 had Vast laag peil daarentegen de hoogste opbrengst in de eerste snede. Het grondwaterstandsverloop tussen de peilregimes was in het vroege voorjaar echter niet zodanig verschillend dat hieruit de opbrengstverschillen verklaard kunnen worden; 2. De N opbrengsten waren in beide jaren nagenoeg gelijk en in 215 was de N1 opbrengst aanzienlijk hoger dan in 214; 3. Onderwaterdrains hadden in 214 ten opzichte van de ongedraineerde objecten een lagere droge stofopbrengst, vooral door een lagere opbrengst van de eerste snede, en hadden in 215 een hogere droge stofopbrengst door een hogere opbrengst van de derde en vierde snede. Opbrengstverschillen worden veroorzaakt door verschil in natschade, droogteschade, N-levering en N- benutting uit mest. Verklaringen voor de gevonden opbrengstverschillen zijn echter moeilijk eenduidig vast te stellen. In Figuur 34 zijn de droge stofopbrengsten op jaarbasis verder uitgesplitst weergegeven per jaar, per peilregime en per subbehandeling (wel en geen drains en wel en geen stikstofbemesting) om meer in detail de verschillen tussen de behandelingen te kunnen duiden en te kunnen verklaren. De stikstof bemeste objecten (N1) laten een duidelijk hogere opbrengst zien dan de niet stikstof bemeste objecten (N), conform Tabel 8. Vooral in 214 was de N opbrengst bij dynamisch peil zonder drains relatief hoog. Dit wordt mogelijk verklaard door extra N-mineralisatie als gevolg van significant lagere grondwaterstanden (zie verder paragraaf 6.2.3). In 215 waren de N1 opbrengsten bij Vast hoog peil relatief hoog en bij Vast laag peil relatief laag. Deze verschillen hebben mogelijk te maken met de vochtvoorziening; bij Vast hoog peil waren de grondwaterstand duidelijk hoger dan bij Vast laag peil. Aangezien de behandelingsobjecten voor N en N1 een ander beeld gaven is het moeilijk om een relatie te leggen tussen opbrengst en peilregime en wel of geen onderwaterdrains. Dit komt mede omdat Vast hoog in enkelvoud is uitgevoerd. 44 Acacia Water Eindrapportage

49 Figuur 34. Grasopbrengst (kg ds.ha-1) op jaarbasis per jaar, per peilregime en per subbehandeling (C: geen drains, D: onderwaterdrains, N: geen N-bemesting, N1: wel N-bemesting) Inhoudstoffen De resultaten van de geanalyseerde inhoudstoffen staan in Bijlage 5. Voor de belangrijkste nutriënten stikstof en fosfor zijn de gehalten vertaald naar geoogste hoeveelheden stikstof en fosfaat in kg per ha. In Tabel 5 staan de gehalten stikstof van het gras per behandeling. In Bijlage 6 staan per jaar de stikstofgehalten uitgesplitst per peilregime, per perceel, per subbehandeling per snede en totaal. Tabel 5. Stikstofgehalten (% van de droge stof) per behandeling (N: geen N-bemesting, N1: wel N-bemesting), per snede en totaal. Behandeling Snede 214 Totaal Snede 215 Totaal Vast laag Vast hoog Dynamisch N N Geen drains (C) Drains (D) Tabel 6. Fosforgehalten (% van de droge stof) per behandeling (N: geen N-bemesting, N1: wel N-bemesting), per snede en totaal. Behandeling Snede 214 Totaal Snede 215 Totaal Vast laag Vast hoog Dynamisch N N Geen drains (C) Drains (D) Sturen op Nutriënten Acacia Water 45

50 Stikstofbemesting leidde tot duidelijk hogere N-gehalten. Daarbij was het verschil tussen N en N1 in 215 groter dan in 214. Voor peilregime en wel of geen drains waren de verschillen relatief klein. In Tabel 6 staan de gehalten fosfor van het gras per behandeling. In Bijlage 7 staan per jaar de fosforgehalten uitgesplitst per peilregime, per perceel, per subbehandeling per snede en totaal. In 214 waren de verschillen in P-gehalte relatief groot en in 215 relatief klein. Stikstofbemesting leidde in 214 tot lagere P-gehalten. De P-gehalten waren in 214 bij dynamisch peil hoger dan bij de vaste peilen. Het toepassen van onderwaterdrains leek evenals bij de N-gehalten ook tot hogere P- gehalten te leiden Stikstofopbrengst De vermenigvuldiging van de droge stofopbrengst met de stikstofgehalten geeft de stikstofopbrengst. De gemiddelde stikstofopbrengst per onderzoeksobject staat in Tabel 7. Daarbij is evenals bij de droge stofopbrengst is onderscheid gemaakt in peilregime en de subbehandelingen wel of geen stikstofbemesting en wel of geen onderwaterdrains. In Bijlage 6 staan per jaar de stikstofopbrengsten uitgesplitst per peilregime, per perceel, per subbehandeling per snede en totaal. Tabel 7. Stikstofopbrengst (kg.ha -1 ) per behandeling (N: geen N-bemesting, N1: wel N-bemesting), per snede en totaal. Behandeling Snede 214 Totaal Snede 215 Totaal Vast laag Vast hoog Dynamisch N N Geen drains (C) Drains (D) Stikstofbemesting leidde tot hogere droge stofopbrengsten, tot hogere stikstofgehalten en daarmee ook tot hoger stikstofopbrengsten. Evenals bij droge stofopbrengst waren de verschillen tussen peilregimes en wel of geen drains veel kleiner en over de jaren heen niet eenduidig. De jaarverschillen die bij de droge stofopbrengsten zijn aangegeven komen in de stikstofopbrengsten minder naar voren: 1. De opbrengst van Vast laag peil was in 215 duidelijk lager dan die van de beide andere peilregimes door een lagere opbrengst van de eerste snede, maar dit komt veel minder in de stikstofopbrengst tot uiting. In 214 had Vast laag peil daarentegen de hoogste opbrengst in de eerste snede en ook de stikstofopbrengst was hoger; 2. De gemiddelde droge stofopbrengsten was voor N in beide jaren nagenoeg gelijk, echter de stikstofopbrengst was in 214 wel hoger dan in 215. De N1 opbrengst was in 215 aanzienlijk hoger dan in 214, echter het verschil in stikstofopbrengst is veel geringer; 3. Onderwaterdrains hadden in 214 ten opzichte van de ongedraineerde objecten zowel een lagere droge stofopbrengst als een lagere stikstofopbrengst en hadden in 215 zowel een hogere droge stofopbrengst als een hogere stikstofopbrengst. In Figuur 35 zijn de stikstofopbrengsten op jaarbasis verder uitgesplitst per peilregime en per subbehandeling (wel en geen drains en wel en geen stikstofbemesting). 46 Acacia Water Eindrapportage

51 Figuur 35. Stikstofopbrengst (kg ds.ha-1) op jaarbasis per peilregime en per subbehandeling (C: geen drains, D: onderwaterdrains, N: geen N-bemesting, N1: wel N-bemesting). Evenals bij de droge stofopbrengst (Figuur 34) laten de stikstof bemeste objecten voor de stikstofopbrengst een duidelijk hogere opbrengst zien dan de niet stikstof bemeste objecten. In 214 was de N stikstofopbrengst bij dynamisch peil zonder drains beduidend hoger dan de N stikstofopbrengst bij respectievelijk bij Vast laag peil en Vast hoog peil zonder drains. Ook bij Dynamisch peil met drains was de N stikstofopbrengst lager. Aangezien bij Dynamisch peil de grondwaterstand in de ongedraineerde situatie in juni-juli het diepst wegzakte, is de verwachting dat hierdoor meer stikstof uit de bodem door mineralisatie is vrijgekomen. Dit effect kwam in 215 echter niet naar voren, terwijl het groeiseizoen tot augustus aanmerkelijk droger was. Wellicht dat hier andere interacties met vochtbeschikbaarheid en benutting uit mest hebben plaatsgevonden. Hierdoor is op basis van de betreffende weerjaren en de gebruikte proefpercelen het verschil in stikstofopbrengst tussen de peilregimes en wel of geen onderwaterdrains niet nader te verklaren Fosforopbrengst De gemiddelde fosforopbrengst per onderzoeksobject staat in Tabel 8. Vergelijkbaar met de droge stofen stikstofopbrengst is onderscheid gemaakt in peilregime en de subbehandelingen wel of geen stikstofbemesting en wel of geen onderwaterdrains. In Bijlage 7 staan per jaar de fosforopbrengsten verder uitgesplitst per peilregime, per perceel, per subbehandeling per snede en totaal. Stikstofbemesting leidde in beide jaren tot hogere droge stofopbrengsten, tot lagere fosforgehalten en tot hogere fosforopbrengsten. In 214 was bij dynamisch peil was de fosforopbrengst beduidend hoger Tabel 8. Fosforopbrengst (kg.ha -1 ) per behandeling (N: geen N-bemesting, N1: wel N-bemesting), per snede en totaal. Behandeling Snede 214 Totaal Snede 215 Totaal Vast laag Vast hoog Dynamisch N N Geen drains (C) Drains (D) Sturen op Nutriënten Acacia Water 47

52 dan bij de vaste peilen. In 215 waren de verschillen kleiner, maar had waren ook bij Dynamisch peil de opbrengsten het hoogst. In beide jaren was de fosforopbrengst in de gedraineerde situatie hoger dan in de ongedraineerde situatie. Figuur 36 zijn de fosforopbrengsten op jaarbasis verder uitgesplitst per peilregime en per subbehandeling (wel en geen drains en wel en geen stikstofbemesting). Figuur 36. Fosforopbrengst (kg ds.ha-1) op jaarbasis per peilregime en per subbehandeling (C: geen drains, D: onderwaterdrains, N: geen N-bemesting, N1: wel N-bemesting). De stikstof bemeste objecten laten voor de fosforopbrengst een hogere opbrengst zien dan de niet stikstof bemeste objecten, al is het verschil relatief kleiner dan bij de droge stof en stikstofopbrengst. In 214 waren de N fosforopbrengsten bij dynamisch peil met en zonder drains relatief hoog ten opzichte van de vaste peilen. In 215 waren de opbrengstverschillen kleiner. In 214 waren bij Dynamisch peil met onderwaterdrains de fosforopbrengsten lager dan bij Dynamisch peil zonder onderwaterdrains. In 215 waren deze verschillen er niet. 6.3 Bevindingen Stikstofbemesting verhoogde de droge stof- stikstof- en fosforopbrengst, conform de verwachting aangezien de beschikbaarheid van stikstof een belangrijke groeifactor is. De verschillen in opbrengsten tussen de peilregimes en wel of geen onderwaterdrains waren aanmerkelijk kleiner en per jaar verschillend. In 214 waren de verschillen groter dan in 215. Door de niet gebalanceerde opzet van de proef en de onvoldoende herhalingen konden de effecten niet statistisch betrouwbaar getoetst worden. In 214 waren de N opbrengsten (droge stof, stikstof en fosfor) bij dynamisch peil zonder drains beduidend hoger dan de N opbrengsten bij respectievelijk bij Vast laag peil en Vast hoog peil zonder drains. Ook bij Dynamisch peil met drains was de N opbrengsten lager. Aangezien bij Dynamisch peil de grondwaterstand in de ongedraineerde situatie het diepst wegzakte (juni-juli), lijkt de groei bevorderd te zijn door een grotere stikstofbeschikbaarheid uit de bodem door mineralisatie. Echter, in 215 kwam dit effect niet naar voren, terwijl het groeiseizoen tot augustus aanmerkelijk droger was. Wellicht dat hier andere interacties met vochtbeschikbaarheid en benutting uit mest hebben plaatsgevonden. Hierdoor is op basis van de betreffende weerjaren en de gebruikte proefpercelen het verschil in stikstofopbrengst tussen de peilregimes en wel of geen onderwaterdrains niet nader te verklaren. 48 Acacia Water Eindrapportage

53 7 Modelsimulaties kwantiteit 7.1 Inleiding Om een goede analyse van de interactie van de verschillende processen te maken is een gekoppeld hydrologisch-chemisch model nodig, dat zowel in chemische als hydrologisch processen in detail kan simuleren. Op basis hiervan worden de meest bepalende variabelen bepaald. Het model wordt gevalideerd met de resultaten van de veldmetingen. Er worden scenario berekeningen uitgevoerd om de resultaten van verschillend beheer te bepalen. Het model kan tevens worden gebruikt om de mogelijkheden voor opschaling te onderzoeken. Bij de modellering is gebruik gemaakt van state-of-the-art perceelsmodellen, die in andere studies goede resultaten hebben opgeleverd. Hierbij wordt verder gewerkt met de kennis opgedaan met eerdere modellen zoals ANIMO-SWAP, maar wordt met de volgende generatie perceelsmodellen gewerkt die geïntegreerd verzadigde en onverzadigde stroming in 2D (en evt. 3D) simuleren. Nieuw is om deze modellen voor nutriëntenmodellering in veenweidegebieden in te zetten. 7.2 Systeemanalyse In veenweidegebieden is de veenweidebodem de grootste bron van nutriënten voor het oppervlaktewater (Jansen, 1988). Het oppervlaktewatersysteem fungeert vooral als transportsysteem van nutriënten bij afwenteling op wateren buiten het gebied en als biotoop van aquatische flora en fauna, dat sterk wordt bepaald door nutriëntenaanbod en -concentraties in het oppervlaktewater. Hierbij is de retentie van nutriënten van groot belang: het vermogen om nutriënten (tijdelijk) vast te leggen in water, waterbodem en biomassa, of zelfs te doen verdwijnen uit het oppervlaktewatersysteem door emissie van gassen (N2O, N2, H2S enz.) naar de atmosfeer en opgeloste nutriënten naar de veenbodem. De veenweidebodem en het oppervlaktewatersysteem vormen elkaars (zij)rand (Figuur 37) waarover uitwisseling van water en nutriënten plaatsvindt. Drijvende kracht achter deze uitwisseling is de waterstroming die als gevolg van neerslag en verdamping, gecombineerd met de aanwezigheid van kwel of wegzijging tot stand komt en resulteert in een wateruitwisseling tussen de veenweidebodem en het oppervlaktewatersysteem. Aangezien in Nederland op jaarbasis een neerslagoverschot bestaat, is de jaarlijkse netto-uitwisseling van water en nutriënten in de dominante richting ván veenweidebodem náár het oppervlaktewater gericht. Hierbij is neerslag de grootste drijvende kracht voor de nutriëntenbelasting van het oppervlaktewater. Indien onderwaterdrains in een veengebied aanwezig zijn zullen deze naar verwachting een grote invloed hebben op de uitwisseling van water en nutriënten tussen het bodem en het watersysteem. Onderwaterdrains zullen immers de transportroute van water dat via de bodem tot afvoer komt verkleinen. Hierdoor zal naar verwachting ook de weerstand tegen stroming van water met opgeloste stoffen verkleinen. Voor deze verlaging van de weerstandswaarde wordt aangegeven dat deze verlaagd wordt van 15-3 dagen naar 2-3 dagen (Hendriks en van den Akker, 212). Ook in eerdere studies Sturen op Nutriënten Acacia Water 49

54 is voor de drainageweerstand van onderwaterdrainage een waarde van 27 dagen aangehouden (Jansen e.a. 27). Uitgaande van deze lage drainageweerstand heeft onderwaterdrainage een enorme invloed op de waterbalans van de veenweidebodem. Het hoofddoel van het toepassen van onderwaterdrainage is dan ook het vergroten en versnellen van infiltratie van slootwater de veenbodem in voor het vernatten van het veenprofiel in droge tijden. Het nadeel van deze vergrote infiltratie zou kunnen zijn dat met het water ongewenste stoffen dieper in veenpercelen wordt gebracht. Stoffen zoals nitraat, sulfaat en alkaliniteit, vooral in de vorm van bicarbonaten, die veenafbraak onder anaerobe omstandigheden in de waterverzadigde zone kunnen versnellen of bevorderen (Lamers et al., 21; Smolders et al., 26). Bijkomend voordeel van onderwaterdrains voor landbouwkundig doeleinden is de verhoging van de drainage onder natte omstandigheden. Hierdoor kan water versneld worden afgevoerd uit de veenbodem naar de sloten. Daarmee zouden ook nutriënten versneld en in grotere hoeveelheden kunnen uitspoelen naar het oppervlaktewater. Deze eventuele vergroting van de nutriëntenuitspoeling kan alleen worden vastgesteld bij een integrale benadering van de effecten van drains op waterafvoer en op waterbalans. Veranderingen in de waterbalans zullen leiden tot veranderingen in transportroutes en vocht- en luchthuishouding van de veenbodem en daarmee tot verschuivingen in processen van de nutriëntenkringlopen. Figuur 37. Stromen van stikstof (N), fosfor (P) en sulfaat/zwavel (SO4/S) met bronnen en routes in een uitspoelingsituatie in een veenweidesysteem bestaande uit de twee deelsystemen veenweidebodem en veenwaterloop inclusief waterbodem. Voor de veenweidebodem is onderscheid gemaakt tussen natuurlijke bronnen als het Veen en antropogene bronnen als de Mens (naar: Henkdriks en van den Akker, 212). 7.3 Modelopzet Bij de veenweidebodem als belangrijkste nutriëntenbron is de profielopbouw van groot belang. Deze is van invloed op de nutriëntenbronnen en transportroutes van water en nutriënten door de bodem. Het betreft een Koopveengrond; kleiig veen op rietzeggeveen (Beuving en van den Akker, 1996) Er zijn drie hoofdzones te onderscheiden: De wortelzone, diepte -25 cm - mv. Deze zone bestaat uit veraard veen met een wisselende hoeveelheid minerale delen waardoor er sprake is van kleiig veen. Deze zone is het grootste deel van de tijd niet waterverzadigd en daarom aeroob. Het belang van de wortelzone is vooral de uitwisseling van 5 Acacia Water Eindrapportage

55 water en stoffen tussen bodem en atmosfeer over de bovenrand, via natuurlijke processen en menselijke activiteiten. De grootste hoeveelheden water en nutriënten worden over deze rand aangevoerd (regen, mest) en afgevoerd (verdamping, gewasopname). De belangrijkste transportroute is verticaal naar het grondwater. Transportroutes naar waterlopen zijn ondiep en snel, en treden vooral op onder natte omstandigheden met hoge grondwaterstanden en/of bij hevige neerslag. Onder deze omstandigheden vindt afstroming van water en afspoeling van meststoffen over het maaiveld (runoff) naar sloten en greppels plaats. Tevens kan er bij hoge grondwaterstanden tot in de wortelzone, greppeldrainage en horizontale uitstroming en uitspoeling (interflow) door de hogere horizontale doorlatendheid dan die van de onderliggende zone plaatsvinden. Deze routes kunnen een substantiële bijdragen aan de water- en nutriëntenbelasting van het oppervlaktewater leveren. De verwachting is dat onderwaterdrains vooral deze ondiepe routes overnemen. Een zone met geoxideerd veraard bosveen, 25-6 cm - mv. Dit is de zone tussen wortelzone en de GLG (gemiddeld laagste grondwaterstand), met 'geoxideerd' veen, veen dat regelmatig aan oxidatie heeft blootgestaan en dat daardoor in meer of mindere mate is veraard. Deze zone is grotendeels onverzadigd in het zomerhalfjaar, het groeiseizoen, en grotendeels verzadigd gedurende het winterhalfjaar met een neerslagoverschot. De dynamiek van nutriëntenprocessen is hier als gevolg van de afwisseling van aerobe en anaerobe omstandigheden vrij groot. Belangrijkste nutriëntenbronnen zijn mest uit de wortelzone en de organische stof van het veen. Daarnaast heeft de zone rond de GLG als gevolg van de afwisseling van aerobie en anaerobie de juiste omstandigheden voor het ontstaan van pyriet (Kemmers en Koopmans, 21). Belangrijkste transportroute is bovenin de zone en midden tussen de sloten verticaal, en dichter bij de sloot in het onderste deel van de zone meer horizontaal. Indien onderwaterdrainage is toegepast liggen deze meestal in of net onder deze zone. Water vanuit deze zone zal daardoor sneller en directer naar de drains stromen en tevens minder diep (max. ¼ van de drainafstand) gaan, waardoor de verblijftijd van het overtollige neerslagwater in de bodem wordt verkleint. Een zone met gereduceerd rietzeggeveen, vanaf 6 cm - mv tot de onderliggende minerale afzetting op 6 à 7 meter diepte. Dit is de zone onder de GLG, die permanent met water is verzadigd. Het gereduceerde veen heeft nooit blootgestaan aan oxidatie, maar alleen aan langzame afbraak onder anaerobe omstandigheden. Hierdoor bevat het bodemwater hoge concentraties opgelost organisch-n en -P, en ammonium en fosfaat. De laatste twee zijn in evenwicht met het bodemcomplex, waaraan vooral fosfaat in grote hoeveelheden is geadsorbeerd. Deze nutriënten vormen de grootste N- en P-bron van deze zone. Mestnutriënten spelen in deze zone nauwelijks nog een rol. Wel kunnen kwel en infiltratie van belang zijn. Belangrijkste transportroutes zijn relatief diep: verticaal naar beneden (bij afvoer) in het midden tussen de sloten, verticaal naar boven dicht bij de sloot en meer horizontaal daartussen. Indien het veenpakket homogeen is de maximale doorstroomde diepte ¼ van de sloot- dan wel drainafstand. Bij de aanwezigheid van kwel of wegzijging neemt de doorstroomde diepte af SWAP SWAP (Soil-Water-Atmosphere-Plant) is een gedetailleerd, dynamisch bodemfysisch model voor simulatie van verticaal transport van water, warmte en opgeloste stoffen in een afwisselend waterverzadigde en onverzadigde bodemkolom op veldschaal (Van Dam et al., 28). Waterstroming en balans Verticale waterstroming in de bodemkolom wordt binnen het model berekend met de Richards vergelijking (Figuur 38). SWAP lost deze vergelijking integraal op voor de onverzadigde-verzadigde zone, met een numeriek schema op basis van ingevoerde karakteristieken voor waterretentie en (on)verzadigde doorlatendheid. Voor de verticale discretisatie is de bodemkolom opgedeeld in compartimenten met een toenemende dikte van boven naar beneden. Temporele discretisatie wordt verkregen met een dynamische tijdstapgrootte die afhankelijk van de dynamiek van het doorgerekende systeem. Sturen op Nutriënten Acacia Water 51

56 Figuur 38. Schematische weergave van het met SWAP gemodelleerde domein. Uitwisseling van water vindt plaats met de domeinen aan de randen: de atmosfeer aan de bovenrand, ontwateringsmiddelen aan de zijrand en het diepere grondwater aan de onderrand (Figuur 38). De bovenrandvoorwaarden zijn neerslag (regen, sneeuw, beregening), gewasinterceptie, bodemverdamping en gewastranspiratie. De laatste twee worden berekend op basis van referentiegewasverdamping en zijn afhankelijk van het groeistadium en de bodemvochttoestand. De zijrand betreft drainage en oppervlakte-afstroming (runoff) naar, of infiltratie of inundatie vanuit ontwateringsmiddelen. Er kunnen maximaal vijf ontwateringsmiddelen met ieder een eigen drainageniveau en afvoerkarakteristiek worden gemodelleerd. Aan de onderrand vindt kwel of wegzijging plaats. De kwel/wegzijging wordt dynamisch in de tijd berekend en is afhankelijk van het grondwaterstandsverloop en de opgelegde stijghoogte van het diepere grondwater met een weerstand tegen verticale stroming (c-waarde). De invoergegevens die SWAP nodig heeft voor uitvoeren van simulaties kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdgroepen: initiële waarden van alle toestandsvariabelen: dit zijn vochtgehalten, drukhoogten en temperaturen per bodemcompartiment. Indien rekening gehouden wordt met een instelperiode van enkele maanden tot een jaar, zijn deze waarden niet sterk bepalend; waarden van procesparameters: invoergegevens die (meestal) constant zijn gedurende de simulaties en die de processen van het model sturen. Belangrijkste zijn de hydraulische karakteristieken, afvoer karakteristieken, textuurgegevens, drainage- en infiltratieweerstanden en c-waarden, gewasparameters, bodemverdampingsparameters enz.; randvoorwaarden (forcing variables): waarden van variabelen die de processen aan de randen bepalen en die het systeem dat het model beschrijft forceren of aandrijven. Over het algemeen zijn dit tijdreeksen van invoerwaarden die de atmosferische (bovenrand) en hydrologische (zij- en onderrand) setting weergeven. Het gaat daarbij om neerslagsommen en -duur, verdampingsparameters, slootpeilen en stijghoogten van het diepere grondwater HYDRUS Om een goede analyse van de interactie van de verschillende processen te kunnen maken is een gekoppeld hydrologisch-chemie model nodig, dat zowel in chemische als hydrologisch processen in detail kan simuleren. Hiervoor is gebruik gemaakt van het 2-dimensionale numerieke model Hydrus2D (Šimůnek et al., 26; Šimůnek et al., 27). 52 Acacia Water Eindrapportage

57 Hydrus2d is een model voor het simuleren van vocht, warmte en stoffen in de bodem. De partiële differentiaalvergelijkingen die het transport beschrijven worden numeriek opgelost met behulp van de eindige elementen methode. Dit levert een groot aantal waarden voor drukhoogtes en vochtgehaltes in de tijd. Voorwaarde is wel dat er aan de rand van het beschouwde gebied een opgegeven waarde bekend is. Dit kan (in geval van grondwaterstroming) een fluxdichtheid (kwel/wegzijging) of een potentiaal (slootpeil) zijn. Ook kan er een grens met de atmosfeer worden opgegeven. Voor deze grens wordt de randvoorwaarde berekend uit de opgegeven neerslag en verdampingsgegevens voor het beschouwde moment. Het is mogelijk om de verdamping te simuleren door een gewas aan te nemen dat het water aan de grond onttrekt met zijn wortels. In dat geval moet de worteldiepte bekend zijn. Het programma heeft een gebruikersinterface waarmee de benodigde invoer kan worden gegenereerd. Na het opgeven van de contouren van het door te rekenen gebied wordt er door de ingebouwde puntengenerator een netwerk van knooppunten en driehoeken gegenereerd waarmee gerekend gaat worden. 7.4 Resultaten De verwachting is dat het grondwaterstandsverloop kan worden beïnvloed via de oppervlaktewaterstand waardoor sturing van het grondwater kan plaatsvinden. De mate waarin de grondwaterstand via het oppervlaktewaterniveau kan worden beïnvloed kan toenemen indien gebruik wordt gemaakt van onderwaterdrainage. In Figuur 39 is in een dwarsdoorsnede van een perceel de wintergrondwaterstand en de zomergrondwaterstand ten opzichte van het slootpeil weergegeven. Het te verwachte effect van het gebruik van onderwaterdrainage is een nivellering van het grondwaterstandsverloop door het jaar, met de gewenste verhoging van het grondwaterniveau in de zomer en verlaging van het grondwaterniveau in de winter. Figuur 39. Dwarsdoorsnede van een perceel en belendende sloten met zomergrondwaterstand (a) en de wintergrondwaterstand (b) ten opzichte van de slootpeilen 3 en 6 cm maaiveld, respectievelijk aangeduid met hoog en laag en het nivellerende effect van onderwaterdrains (bij een slootpeil van 6 cm maaiveld) op de grondwaterstand; de zomer grondwaterstand wordt verhoogd (tot circa grondwaterstand bij hoog peil) en de wintergrondwaterstand wordt verlaagd (naar Hoving et al., 28). De hiervoor beschreven verwachting kan dankzij het continu hoogfrequent meten van de grondwaterstand worden vergeleken met gedetailleerde meetgegevens (Figuur 4). De metingen aangeduid met perceel 3 hebben betrekking op metingen met een vast laag peil van 55 cm mv. De meetgegevens aangeduid met perceel 7 hebben betrekking op een perceel met onderwaterdrainage op een afstand van 8 meter en een flexibel peilbeheer. De metingen aangeduid met perceel 13 hebben betrekking op metingen in een perceel met een vast hoog peil van circa 15 cm mv. De metingen laten zien dat onderwaterdrains bij Dynamisch peil gedurende de zomer (Figuur 39a) een iets ondiepere grondwaterstandsverloop tot gevolg hebben ten opzichte van de ongedraineerde situatie. Sturen op Nutriënten Acacia Water 53

58 Het verschil liep op tot maximaal circa 1 cm voor beide proefjaren. Dit maximale verschil van 1 cm binnen de zomerperiode is tevens het maximaal gemeten verschil tussen het perceel met Vast hoog en Vast laag peil. Terwijl het verschil in oppervlaktewaterstand tussen Vast hoog en Vast laag peil 4 cm bedraagt. Het verwachte lagere grondwaterniveau gedurende de winterperiode (Figuur 39b) blijkt niet overeen te komen met de meetgegevens. De meetgegevens laten namelijk zien dat de gemeten grondwaterstand gedurende de winterperiode langdurig tot in of nabij maaiveld komt. Figuur 4. Continue gemeten grondwaterstanden voor de drie onderzochte percelen. Perceel 3 is een locatie met een vast laag peil (55 cm mv), perceel 7 is een locatie met onderwaterdrainage (afstand 8 meter) en een flexibel peil (2 45 cm mv) en perceel 13 is een locatie met een vast hoog peil (15 cm mv). Door gebruik te makken van modellen kan nader beken worden in welke mate de meetgegevens kunnen worden gereproduceerd en kan de werking van het hydrologische systeem inzichtelijk worden gemaakt. Eerst zal dit worden gedaan met SWAP (1D) De volgende stap is de simulatie in 2D (met Hydrus) SWAP Voor het eerste meetjaar is het model SWAP handmatig gekalibreerd op de beschikbare meetgegevens. Hierbij is gebruik gemaakt van zowel de metingen die sinds een aantal jaren standaard door het VIC worden uitgevoerd als de metingen die in het kader van dit project zijn uitgevoerd. De standaard metingen hebben betrekking op handmatige metingen die wekelijks op een groot aantal locaties worden uitgevoerd. De metingen die in het kader van dit project zijn uitgevoerd hebben betrekking op metingen met drukopnemers die hoogfrequent (iedere 15 minuten) worden uitgevoerd en meerdere malen per dag telemetrisch worden verzonden. Deze gegevens zijn vrijwel direct via internet beschikbaar ( ). Om de standaard uitgevoerde handmatige metingen te kunnen vergelijken met de hoogfrequente drukopnemer metingen is het van belang dat de meetlocaties dicht bij elkaar liggen. In perceel 7 is de onderlinge afstand tussen de meetlocaties 3 cm. Uit een vergelijking van beide type meetgegevens blijkt dat deze goed met elkaar overeenkomen (Figuur 41). Uit de vergelijking blijkt echter ook dat de gemeten fluctuatie middels handmetingen geringer is dan de gemeten fluctuatie met hoogfrequente drukopnemer metingen. Dit betekent dat extremen bij de wekelijkse handmetingen vaak worden gemist waardoor er een afgevlakt beeld van de grondwaterstandsfluctuatie bestaat. Het betreft voornamelijk de natte pieken die bij de handmatig uitgevoerde wekelijkse metingen niet tot uiting komen. 54 Acacia Water Eindrapportage

59 Figuur 41. Vergelijking van grondwaterstandsinformatie in perceel 7. Wekelijks uitgevoerde handmatige metingen (gemeten VIC), hoogfrequente drukopnemer metingen (Gemeten Acacia) en berekend met SWAP (Berekend SWAP 1d). Voor de modelschematisatie en -parameters is gebruik gemaakt van het model dat reeds beschikbaar is voor Zegveld (Hendriks en van den Akker, 212). Vervolgens heeft er een modelkalibratie plaatsgevonden. De modelkalibratie heeft handmatig plaatsgevonden. Bij de modelkalibratie zijn de drainage en infiltratieweerstanden aangepast om tot een acceptabele reproductie van de gemeten grondwaterstanden te komen. Voor perceel 7 is gebruik gemaakt van drie oppervlaktewatersystemen. Het hoofdsysteem heeft een drainageweerstand van 4 dagen en een infiltratieweerstand van 8 dagen. Het buisdrainagesysteem heeft in de berekeningen voor zowel de dranageweerstand als de infiltratieweerstand 7 dagen. Het greppelsysteem heeft een drainageweerstand van 5 dagen en een infiltratieweerstand van 1 dagen. Met het ondiepe greppelsysteem kunnen plassen op het maaiveld worden gesimuleerd. De gebruikte modelschematisatie en -parameters zijn voor perceel 3 en 13 niet aangepast. Voor deze berekeningen is na de kalibratie voor perceel 7 alleen het buisdrainagesysteem uit de modelsimulatie verwijderd en het gehanteerde oppervlaktewaterpeil aangepast (Figuur 42). Sturen op Nutriënten Acacia Water 55

60 Figuur 42. Vergelijking van de gemeten (hoogfrequente drukopnemer metingen) en berekende grondwaterstand (Berekend SWAP 1d)voor de 3 meetlocaties. Uit de rekenresultaten blijkt dat de gemeten grondwaterstand redelijk goed kan worden gesimuleerd. Indien de berekeningen voor de verschillende percelen worden vergeleken blijkt dat in alle percelen de grondwaterstand gedurende de natte winterperiode frequent tot in maaiveld komt. De rekenresultaten zijn in natte perioden ondanks de verschillen in oppervlaktewaterpeil en de aanwezigheid van onderwaterdrainage in hoge mate vergelijkbaar. De verschillen in de rekenresultaten zijn onder droge omstandigheden gedurende de zomer groter. Indien gekeken wordt naar de droge situatie lijkt de simulatie voor perceel 13 met het vaste hoge peil de gemeten grondwaterstand het beste te simuleren. De simulatie voor perceel 3 met het vaste lage peil blijkt iets lager uit te komen dan de metingen en de simulatie voor perceel 7 met onderwaterdrainage blijkt niet minder ver uit te zakken dan de gemeten grondwaterstand Hydrus Vervolgens is een Hydrus-2d model opgezet om deze te kunnen vergelijken met de beschikbare meetgegevens. Hiervoor is binnen Hydrus een dwarsdoorsnede gegenereerd (Figuur 43). Binnen het gemodelleerde domein kunnen op willekeurige knooppunten observatiepunten worden gedefinieerd waarvoor de rekenresultaten kunnen worden weggeschreven. Om te voorkomen dat observatiepunten op een modelrand nodig zijn is voor de situatie met buisdrainage een dwarsdoornede met daarbinnen 2 drainagebuizen gemodelleerd. De modelrand ligt midden tussen de drains, waardoor gebruik kan worden gemaakt van een randvoorwaarde waarbij geen stroming over de zijranden plaatsvindt. 56 Acacia Water Eindrapportage

61 Het voordeel van het gebruik van een 2d model is dat er geen gebruik hoeft te worden gemaakt van indirecte parameters zoals een drainageweerstand. In het model wordt het stromingsdomein dat men wil beschouwen opgenomen. Dit betreft de al dan niet gelaagde bodem waarvoor bodemfysische parameters worden opgegeven en ontwateringsmiddelen in de vorm van sloten en/of buisdrainage. Uit de vergelijking van de modelresultaten met de meetgegevens blijkt dat ook met Hydrus een acceptabele fit kan worden gerealiseerd (Figuur 44). Vervolgens zijn perceelsmodellen opgezet voor de afzonderlijke percelen. Figuur 43. Illustratie van het netwerk alsmede het berekende drukhoogteprofiel in een afvoersituatie binnen de dwarsdoorsnede van het beschouwde modeldomein in Hydrus. Figuur 44. Vergelijking van grondwaterstandsinformatie in perceel 7. Wekelijks uitgevoerde handmatige metingen (gemeten VIC), hoogfrequente drukopnemer metingen (Gemeten Acacia) en berekend met Hydrus (Berekend Hydrus 2d). Sturen op Nutriënten Acacia Water 57

62 Perceel 3 Vast laag peil zonder drainage Voor perceel 3 is een perceelsmodel opgezet waarin een dwarsdoorsnede is gemodelleerd van het halve perceel (Figuur 45). Aan de linkerzijde is een halve perceel sloot gemodelleerd met een breedte van 2 meter, uitgaande van een perceelsloot breedte van 4 meter. De gemodelleerde dwarsdoorsnede is 3 meter, uitgaande van een perceel breedte van circa 6 meter. Voor de bodemopbouw is aangesloten bij de schematisering waarvan ook gebruik is gemaakt bij de SWAP-modellen. Deze schematisering bestaat uit een wortelzone van 25 cm met daaronder een laag verweerde en geoxideerd bosveen op een laag gereduceerd rietzeggeveen. De gemodelleerde diepte bedraagt 7,5 meter. Perceel 3 is het perceel met een vast laag peil van circa 55 cm onder maaiveld. Figuur 45. Gemodelleerde dwarsdoorsnede voor perceel 3. Gemodelleerde netwerk (boven), gemodelleerd drukhoogteprofiel in een situatie met infiltratie (17 oktober 215) (midden), gemodelleerd vochtgehalte (17 oktober 215) (onder). Perceel 7 Dynamisch peil met OWD Voor perceel 7 is een perceelsmodel opgezet waarin een dwarsdoorsnede is gemodelleerd met 2 drains op een onderlinge afstand van 8 meter. De perceelsrand ligt precies opm de waterscheiding tussen de drains. Hierdoor is de gemodelleerde breedte 16 meter (Figuur 46). De bodemopbouw is identiek aan het gemodelleerde perceel 3. De gemodelleerde diepte is 4 meter. Voor het oppervlaktewaterpeil is een diepte van 3 cm min maaiveld aangehouden. 58 Acacia Water Eindrapportage

63 Figuur 46. Gemodelleerde dwarsdoorsnede voor perceel 7. Gemodelleerde netwerk (boven), gemodelleerd drukhoogteprofiel in een situatie met infiltratie (17 oktober 215) (midden), gemodelleerd vochtgehalte (17 oktober 215) (onder). Perceel 13 Vast hoog zonder drainage Voor perceel 13 is een perceelsmodel opgezet waarin een dwarsdoorsnede is gemodelleerd van het halve perceel (Figuur 47). Aan de linkerzijde is een halve perceel sloot gemodelleerd met een breedte van 2 meter, uitgaande van een perceelsloot breedte van 7,5 meter. De gemodelleerde dwarsdoorsnede is 3 meter, uitgaande van een perceel breedte van circa 6 meter. De gemodelleerde diepte bedraagt 4 meter. Perceel 13 is het perceel met een vast hoog peil van circa 15 cm onder maaiveld. Sturen op Nutriënten Acacia Water 59

64 Figuur 47. Gemodelleerde dwarsdoorsnede voor perceel 13. Gemodelleerde netwerk (boven), gemodelleerd drukhoogteprofiel in een situatie met infiltratie (17 oktober 215) (midden), gemodelleerd vochtgehalte (17 oktober 215) (onder). 7.5 Resultaten Stijghoogte Uit de rekenresultaten blijkt dat de modelresultaten worden beïnvloed door de diepte die wordt aangehouden voor het observatiepunt in het model. Om het effect van de gekozen diepte van het observatiepunt te illustreren zijn de rekenresultaten op verschillende dieptes midden tussen de drains met elkaar vergeleken. Hiervoor zijn 7 observatiepunten gedefinieerd op dieptes van 1, 2, 3, 4, 5, 1, 15 cm onder maaiveld (Figuur 48). Indien de verticaal onder elkaar gelegen observatiepunten met elkaar worden vergeleken blijkt dat de drukhoogtes niet met elkaar overeenkomen. Het gesimuleerde drukhoogteverloop blijkt sterk afhankelijk van de observatie diepte en is het gevolg van de geringe verzadigde doorlatendheid van het veen. Uit de bodem fysische karakteristieken blijkt dat de verzadigde doorlatendheid van het veen gering is en 1 tot enkele cm/dag bedraagt. Dit heeft tot gevolg dat er binnen het veenpakket een verticale weerstand aanwezig is waardoor er geen sprake is van een hydrostatisch drukverloop. Dit heeft tevens tot gevolg dat een observatiepunt op grotere diepte niet gezien kan worden als het verloop van de freatische grondwaterstand. Observatiepunten op grotere diepte zullen als gevolg van een weerstand binnen het veenpakket namelijk een afgevlakt beeld laten zien van de stijghoogte. Dit afgevlakte beeld komt ook tot uiting indien de stijghoogte van de verticaal onder elkaar gelegen observatiepunten in één grafiek worden weergegeven (Figuur 49). Figuur 48. Schematische weergave van de locatie van observatiepunten. 6 Acacia Water Eindrapportage

65 Figuur 49. Tijd stijghoogtelijnen voor verticaal onder elkaar gelegen observatiepunten midden tussen de drains in het Hydrus-model voor perceel 7 (perceel met flexibel peil en onderwaterdrainage met een afstand van 8 meter). Uit de vergelijking van de verticaal onder elkaar gelegen observatiepunten blijkt dat naarmate het observatiepunt dieper gelegen is de gesimuleerde stijghoogte minder fluctueert in de tijd, waardoor een afgevlakt beeld ontstaat. Deze constatering is van groot belang indien de modelberekeningen worden vergeleken met meetgegevens. Daarnaast geven deze rekenresultaten een verklaring voor constateringen die eerder in het veld zijn gedaan. Regelmatig wordt tijdens metingen in het veld geconstateerd dat tijdens natte omstandigheden in het veld sprake is van een plasdrassituatie. Men zou daarom verwachten dat de grondwaterstand tot in maaiveld staat. Toch worden onder deze omstandigheden vaak een grondwaterstand van circa 1 cm min maaiveld gemeten. Uit de rekenresultaten blijkt dat deze gemeten grondwaterstand in de praktijk kan worden gemeten indien het peilfilter op grotere diepte is geplaatst. De rekenresultaten maken echter ook inzichtelijk dat de gemeten grondwaterstand in deze situatie niet overeenkomt met de freatische grondwaterstand. Het meten van de freatische grondwaterstand is in gronden met een geringe doorlatendheid niet eenvoudig (pagina 117, Richards, 1954). Het voorgaande heeft tot gevolg dat indien meetgegevens vergeleken worden met rekenresultaten de gekozen diepte van het observatiepunt zeer relevant is. Voor dit onderzoek blijken de metingen goed overeen te komen met een observatiediepte van 3 tot 4 centimeter onder maaiveld (Figuur 5). Sturen op Nutriënten Acacia Water 61

66 Figuur 5. Vergelijking van de meetgegevens met de rekenresultaten op een observatiediepte van 3 en 4 centimeter minus maaiveld. De observatiediepte van 3 tot 4 centimeter komt ongeveer overeen met de bovenkant van het filterdeel van de peilbuis. Er is gebruik gemaakt van peilbuizen met een lengte van 15 cm waarvan het onderste gedeelte van 1 cm is geperforeerd. Deze peilbuizen steken circa 2 cm boven maaiveld uit. Overeenkomstig met de meetgegevens blijkt ook uit de rekenresultaten dat het verschil tussen de ontwateringssituaties maximaal oploopt tot circa 1 cm (Figuur 51). Uit de vergelijking van de rekenresultaten op verschillende dieptes blijkt tevens dat de berekende fluctuatie van de stijghoogte afneemt naarmate de observatiediepte groter is. Dit komt tot uiting in een lagere berekende stijghoogte gedurende de natte winterperiode en het minder diep uitzakken van de stijghoogte gedurende de zomerperiode. Het is daarom van belang hiermee rekening te houden bij het inrichten van meetlocaties en bij het interpreteren van meetgegevens. 62 Acacia Water Eindrapportage

67 Figuur 51. Vergelijking van de rekenresultaten voor de verschillende ontwateringssituaties vast laag peil, flexibel peil in combinatie met onderwaterdrainage en vast hoog peil op een observatiediepte van 4 (boven) en 1 cm (onder) onder maaiveld. Verspreiding in perceel van geïnfiltreerd slootwater via OWD Om een indruk te krijgen van de indringing van het oppervlaktewater dat gedurende droge perioden via de onderwaterdrainage kan infiltreren is een berekening uitgevoerd waarbij een inerte stof aan het infiltratiewater wordt meegegeven. Het betreft evenals de voorgaande berekeningen een berekening van 1 januari 214 tot 1 november 215. Uit de tracerberekening blijkt dat het water dat infiltreert in eerste rondom de drainagebuizen blijft (Figuur 52). In figuur 5 zijn de situaties aan het begin en aan het eind van het groeiseizoen weergegeven. Het betreft achtereenvolgens de volgende tijdstippen: 1 april 214, 1 september 214, 1 januari 215, 1 april 215, 1 september 215. In eerste instantie is de verbreiding rond de drain bijna cirkelvormig. Na verloop van tijd zakt het geïnfiltreerde water geleidelijk naar beneden. Na een natte periode is de verspreiding van het geïnfiltreerde water het kleinst en hoofdzakelijk onder drainniveau. Gedurende het droge groeiseizoen met een verdampingsoverschot neemt de omvang van de verbreiding toe en beweegt het geïnfiltreerde water als gevolg van een verdampingsvraag naar boven. Sturen op Nutriënten Acacia Water 63

68 Figuur 52. Grafische weergave van een dwarsdoorsnede waarin rekenresultaten van Hydrus-berekeningen zijn weergegeven waarbij een tracer aan het infiltratiewater dat via drains kan infiltreren is toegevoegd. De rekenresultaten betreffen achtereenvolgend 1 april 214, 1 september 214, 1 januari 215, 1 april 215, 1 september Bevindingen Uit de modelsimulaties blijkt dat de grondwaterstandsfluctuatie zowel met het één-dimensionale model SWAP als met het twee-dimensionale model Hydrus redelijk goed kan worden gesimuleerd. Bij de kalibratie van SWAP worden voor de weerstand van de ontwateringsmiddelen redelijk hoge waarden gevonden. In deze hoge drainageweerstand komt het autonome gedrag van veen met een lage doorlatendheid van 1 tot enkele centimeters per dag tot uiting. Overeenkomstig de meetgegevens, 64 Acacia Water Eindrapportage

69 geven de modelresultaten een berekende grondwaterstand die in alle percelen gedurende de natte winterperiode langdurig tot in of nabij maaiveld. In de winterperiode heeft onderwaterdrainage een gering effect. In de droge zomers met een verdampingsoverschot geven de modelresultaten evenals de meetgegevens een maximaal verschil van 1 centimeter tussen de verschillende peilstrategieën. Uit de berekeningen met het twee-dimensionale model Hydrus blijkt dat de locatie van observatiepunten bepalend is voor de rekenresultaten. Hieruit komt tevens naar voren dat metingen in veenprofielen met een geringe doorlatendheid worden beïnvloed door de filterstelling, en daarmee de inrichting van meetpunten. Indien geen rekening gehouden wordt met de geringe doorlatendheid van het veen bij het interpreteren van meetgegevens kunnen metingen verkeerd worden geïnterpreteerd. Uit tracerberekeningen blijkt dat het geïnfiltreerde oppervlaktewater dat via onderwaterdrains kan infiltreren een beperkte ruimtelijke verbreiding heeft. Het merendeel van de infiltratie vindt gedurende het groeiseizoen als gevolg van een verdampingsoverschot plaats. In deze periode is de waterbeweging van het infiltratiewater naar alle zijden gericht waardoor een bij benadering cirkelvormig gebied ontstaat met water van oppervlaktewaterkwaliteit. In de daaropvolgende natte winterperiode met een neerslagoverschot wordt een gedeelte van het eerder geïnfiltreerde water weer worden afgevoerd. Als gevolg hiervan is er aan het begin van het groeiseizoen alleen nog onder drainniveau water met een oppervlaktewaterkwaliteit aanwezig. Uit de voorgaande waterbeweging komt tevens het belang van het gebruik van twee-dimensionale berekeningen naar voren. Sturen op Nutriënten Acacia Water 65

70 8 Modelsimulaties kwaliteit 8.1 Inleiding Op de verschillende proefpercelen zijn wekelijks watermonsters genomen van het bodemvocht op verschillende dieptes. Deze watermonsters zijn geanalyseerd op de belangrijkste ionen. Met behulp van deze analyses is het begrip van de meest belangrijke processen in de ondergrond vergroot (hoofdstuk 5). Het maken van een hydrogeochemisch model is de volgende stap voor een beter begrip van de processen. Het hydrogeochemisch model wordt gemaakt met de software PHREEQC (Parkhurst & Appelo, 1999). Het doel van dit model is om een beter begrip te krijgen van de processen en om de snelheid van deze processen zo goed mogelijk te achterhalen. De chemische modellering is gebaseerd op de bodemvocht monsters van perceel 7, op een diepte van 6cm in het jaar Nutriëntenkringlopen en bronnen In zowel het bodemsysteem als het oppervlaktewatersysteem zijn nutriënten onderhevig aan processen van hun kringlopen. Het gaat hierbij om omzettingsprocessen, accumulatieprocessen en transportprocessen: omzettingsprocessen, grotendeels biochemisch, zoals afbraak en mineralisatie van vaste of opgeloste organische verbindingen, nitrificatie van ammonium tot nitraat, denitrificatie van nitraat tot lachgas of stikstofgas, oxidatie van sulfiden als pyriet (FeS2) tot sulfaat, reductie van sulfaat tot sulfiden, enz.; accumulatieprocessen zoals inbouwen van stikstof, fosfor en zwavel in biomassa van fauna en flora, immobilisatie van ammonium, fosfaat en sulfaat in organische verbindingen in microbiële biomassa, binding aan het (water)bodemcomplex van ammonium, fosfaat en sulfiden, en precipitatie van fosfaat, enz., en de omgekeerde weg als (re)mobilisatie van genoemde nutriënten, vaak onder invloed van andere processen, zoals redoxprocessen; transportprocessen meestal met water als transportmedium, zoals intern in de veenbodemkolom verticaal tussen bodemlagen, en intern in het oppervlaktewater binnen het waterlopenstelsel en tussen waterkolom en waterbodem, en extern over de randen van de systemen. Bepalende factoren van de nutriëntenkringlopen zijn de bronnen van nutriënten. Dit kunnen interne of externe bronnen zijn. In Figuur 37 zijn de belangrijkste bronnen van een veenweide met een veensloot aangegeven (Hendriks en van den Akker, 212). Voor de veenweidebodem is onderscheid gemaakt tussen natuurlijke bronnen aangeduid als het Veen en antropogene bronnen aangegeven met de Mens. De eerste zijn interne bronnen die samenhangen met de aard van de veenbodem en de ontstaansgeschiedenis daarvan als veenmoeras. 66 Acacia Water Eindrapportage

71 Figuur 53. Stromen van stikstof (N), fosfor (P) en sulfaat/zwavel (SO4/S) met bronnen en routes in een uitspoelingsituatie in een veenweidesysteem bestaande uit de twee deelsystemen veenweidebodem en veenwaterloop inclusief waterbodem. Voor de veenweidebodem is onderscheid gemaakt tussen natuurlijke bronnen als het Veen en antropogene bronnen als de Mens (naar: Henkdriks en van den Akker, 212). De veenbodem is van nature rijk aan de nutriënten stikstof (N) en fosfor (P), afhankelijk van de trofiegraad: gebonden in de organische stof (vooral N), en geadsorbeerd aan het bodemcompex (ammonium-n, fosfaat-p) en in opgeloste vorm in het bodemwater (organisch-n en -P in oplossing, ammonium-n enfosfaat-p). Daarnaast bevat de veenbodem vaak grote hoeveelheden zwavel (S) in de vorm van sulfaat (SO4) en (ijzer)sulfiden als pyriet (FeS2). Deze bronnen kunnen worden aangesproken als de veenbodem wordt ontwaterd. Er dringt dan zuurstof binnen in de onverzadigde zone waardoor het veen wordt afgebroken (oxidatie) en waarbij opgeloste organische N- en P- verbindingen worden gevormd. Hierbij ontstaan door mineralisatie van het veen anorganische vormen van vooral N en in mindere mate P, en sulfaat. Deze opgeloste vormen van N, P en S kunnen uitspoelen naar grond- en oppervlaktewater. Ook onder anaerobe (zuurstofloze), reducerende omstandigheden in de waterverzadigde veenbodem kan veenafbraak en N- en P-mineralisatie optreden. Hierbij fungeren nitraat en/of sulfaat als alternatieve elektronenacceptor bij de afbraak van organische stof. Omdat dit proces veel (3-5%) minder efficiënt verloopt dan aerobe afbraak of oxidatie (Groenendijk et al., 25; Kemmers en Koopmans,21) en omdat in ontwaterde veenbodems het aanbod aan nitraat en sulfaat als elektronenacceptoren vele malen kleiner is dan het zuurstofaanbod, is de anaerobe afbraak zeer beperkt vergeleken met de aerobe (Hendriks en van den Akker, 212). De antropogene nutriëntenbronnen van de veenbodem zijn voornamelijk externe bronnen (Figuur 37). Het kan hierbij gaan om (an)organische bemesting, atmosferische depositie (grotendeels antropogeen) en bagger uit sloten. Een belangrijke interne bron is de door mest uit het verleden opgeladen bovenste bodemlaag (wortelzone). Vooral fosfaat wordt in grote hoeveelheden gebonden aan het bodemcomplex. Stikstof wordt voornamelijk ingebouwd in de organische stof. Zwavel is afkomstig van pyrietoxidatie en wordt ook met mest op veenweiden gebracht. Andere externe nutriëntenbronnen voor de veenweidebodem zijn nutriëntenrijke kwel en infiltratie van slootwater. Beide zijn vooral van belang in het zomerhalfjaar. Sturen op Nutriënten Acacia Water 67

72 Nutriëntenbronnen van het oppervlaktewatersysteem zijn onder te verdelen in diffuse- en puntbronnen. De diffuse bronnen bestaan uit nutriënten vanuit de veenweidebodem, kwel direct op het oppervlaktewater en atmosferische depositie van N. De puntbronnen hebben trekking op waterinlaat vanuit boezems en rivieren, afvalwaterzuiveringsinstallaties (AWZI s) en overige puntlozingen. In veenweidegebieden is de veenweidebodem verreweg de belangrijkste bron. Ook het oppervlaktewater heeft te maken met een interne bron: de waterbodem of baggerlaag (Figuur 37). Deze bevat veel organische stof, afkomstig van afgestorven biomassa en afkalving van de veenslootkanten, en is daardoor zeer reactief. Nutriënten opgeslagen in de organische stof kunnen als gevolg van (an)aerobe afbraak geleidelijk vrijkomen. Daarnaast kan de waterbodem een (tijdelijke) opslagplaats zijn van in het winterhalfjaar uitspoelend fosfaat. Hierdoor kan de fosforbelasting van het oppervlaktewater in het winterhalfjaar kleiner zijn dan de fosforuitspoeling vanuit de veenweidebodem. In het zomerhalfjaar treden in eutrofe veensloten als gevolg van zuurstofgebrek vaak reducerende omstandigheden op. Het aan ijzeroxiden gebonden fosfaat in de waterbodem komt onder deze omstandigheden gedeeltelijk vrij. Aangezien voor de ecologie van de veensloten het nutriëntenaanbod in het zomerhalfjaar belangrijker is dan dat in het winterhalfjaar, is dit mechanisme van groot belang. Sulfaat speelt bij dit proces van interne eutrofiëring een belangrijke rol (Figuur 37). Sulfaat wordt onder reducerende omstandigheden omgezet naar sulfide dat bindt aan ijzer en daarmee adsorptieplaatsen van fosfaat wegneemt. Hierdoor wordt de fosfaatmobilisatie gestimuleerd en versneld (Smolders et al., 26; Kemmers en Koopmans, 21). Bovendien leidt sulfaatreductie tot sulfidevergiftiging en ijzergebrek bij waterplanten (Roelofs, 1991; Roelofs en Smolders, 1993). Krabbenscheer (Stratiotes aloides) is zeer gevoelig voor deze verschijnselen en daarom een goede indicatorplant. 8.3 Eerder uitgevoerd onderzoek In de afgelopen jaren is er verschillend onderzoek gedaan naar de invloed van onderwaterdrains op de waterkwaliteit (Hendriks & van den Akker, 212; Jansen, Querner, & van den Akker, 29; Kemmers & Koopmans, 29). Modellering van de waterkwaliteit onder invloed van onderwaterdrains is meerdere malen gedaan met ANIMO (Akker & Hendriks, 213; Hendriks et al., 214). Hendriks & van den Akker, 212, concludeerde dat volgens de modelberekeningen met ANIMO de nutriëntenbelasting, als vracht en als uitspoelingsconcentratie, in het algemeen kleiner wordt door het toepassen van onderwaterdrains. Akker & Hendriks, 213, deden een studie met proefvelden, met en zonder onderwaterdrains. De verschillen in uitgepompte nutriëntenvrachten tussen de proefvelden zonder en met drains waren gering. Dit gelde zowel voor de vrachten als de gemiddelde uitspoelingsconcentraties. Daarnaast zijn met SWAP-ANIMO scenarioberekeningen uitgevoerd naar de effecten van onderwaterdrains op de nutriëntenbelasting van het oppervlaktewater voor een extreem droog jaar (1976) en een extreem nat jaar (1981). De resultaten lieten over het algemeen een geringe afname zien van de nutriëntenbelasting op jaarbasis en op zomerhalfjaarbasis. Een alternatief voor het gebruik van ANIMO is PHREEQC. PHREEQC wordt veel gebruikt voor het simuleren van hydrogeochemische vraagstukken. Relevante onderzoeken zijn de onderzoeken naar de afbraak en nutriënten uitspoeling van veen. Litaor & Reichmann, 24 en Shenker & Seitelbach, 25 gebruikte PHREEQC om inzicht te krijgen in fosfaat sorptie aan veen Vergelijking PHREEQC ANIMO PHREEQC (Parkhurst & Appelo, 1999) en ANIMO (Renaud, Roelsma, & Groenendijk, 26) zijn 2 programma s gemaakt voor verschillende doeleinden. PHREEQC is een programma gemaakt om (hydro)geochemische berekeningen te maken. ANIMO is een programma om de uitspoeling van nutriënten uit te rekenen. In beide programma s wordt er met initiële waarden en chemische reacties een eindresultaat gesimuleerd. 68 Acacia Water Eindrapportage

73 ANIMO gebruikt voor de berekeningen drie verschillende kringlopen; organisch materiaal, stikstof en fosfor. Deze drie kringlopen worden bepaald aan de hand van kinetische reacties, dit zijn reacties als bijvoorbeeld; denitrificatie, organisch materiaal oxidatie en fosfor vastlegging aan ijzer(hydro)oxiden. Aan deze processen zijn verschillende parameters verbonden, zoals de temperatuur of de ph. Daarnaast zijn processen als bemesting, nutrient gebruik van de gewassen en meteorologische parameters als bronnen van water en nutriënten van buitenaf meegenomen. ANIMO is een 1 dimensionaal transport model. PHREEQC is computer software voor het simuleren van chemische reacties en transport processen in water. Het programma is gebaseerd op evenwicht chemie van oplossingen in water in interactie met mineralen, gassen, vaste oplossingen, uitwisselaars en sorptie oppervlakken. Daarnaast is er de mogelijkheid om kinetische reacties te modelleren. De belangrijkste verschillen tussen PHREEQC en ANIMO zijn: ANIMO houdt rekening met invloeden van buiten de bodem, zoals bemesting, evaporatie/precipitatie, nutrient gebruik van de gewassen. PHREEQC bevat deze informatie niet, maar het kan wel ingebouwd worden. ANIMO gebruikt een versimpeld systeem, met alleen de kringlopen van organisch materiaal, stikstof en fosfor. PHREEQC kijkt naar de totale water en grond compositie en kan hierdoor kinetische processen beter benaderen. Daarnaast wordt er in PHREEQC ook rekening gehouden met thermodynamische evenwichtsreacties, waaronder bijvoorbeeld oplossing/precipitatie, uitwisseling en sorptie reacties. PHREEQC neemt alle processen mee, waardoor de samenhang tussen de verschillende processen in de ondergrond onderzocht kan worden. ANIMO kan gekoppeld worden aan SWAP. Bij koppeling van beide modellen ontstaat er een 1 dimensionaal reactief transport grondwater model. PHREEQC kan gekoppeld worden aan HYDRUS 2D, met de module HP2 (Jacques & Šimůnek, 25). Met deze koppeling kan er een 2 dimensionaal reactief transport grondwater model gemaakt worden. Het doel van de chemische modellering van het bodemvocht is om een beter begrip te krijgen van de processen die plaats vinden op relatief kleine schaal. Er is gekozen om gebruik te maken van PHREEQC, vanwege het totaal pakket aan chemische parameters en processen en de mogelijkheid tot de koppeling met HYDRUS voor een 2 dimensionaal reactief transport grondwater model. 8.4 Modelopzet In het PHREEQC model zijn de daling van de grondwaterstand en de bijbehorende reacties gesimuleerd. Hiervoor is een periode met een grote daling in de grondwaterstand gekozen, van week 21 t/m week 35 in 215. In deze periode daalt de grondwaterstand van ongeveer -.5m onder maaiveld (- mv) naar -.8m-mv. Het perceel dat is uitgekozen voor de hydrogeochemische modellering is perceel 7 (Dynamisch peil). De compositie van het bodemvocht in week 21 is het startpunt van de modellering. De start compositie van de modellering is het geanalyseerde bodemvocht op -6cm-mv van week 21 in 215 in perceel 7 (Tabel 9). Vanaf week 21 daalt de grondwaterstand tot onder het meetpunt van het bodemvocht. Het meetpunt veranderd van locatie in het grondwater tot locatie in de onverzadigde zone. Een bijkomend effect is dat het meetpunt van het bodemvocht weer in contact komt met zuurstof. Het contact met zuurstof zorgt voor verschillende redoxreacties. Sturen op Nutriënten Acacia Water 69

74 Tabel 9: Compositie bodemvocht in perceel 7, gemeten in week 21 in 215. Temperatuur 1 graden Celsius ph Ionen Concentratie (mg/l) Ionen Concentratie (mg/l) Al 36.2 NH Ca P 9.3 Fe S K Si Mg 67. Zn.4 Mn 11.6 NO3 1.5 Na Cl Alkaliniteit 1 Het PHREEQC model is opgebouwd uit verschillende chemische processen. Naast de evenwichtsreacties, die via de PHREEQC-database worden gesimuleerd, zijn er verschillende andere processen in dit model meegenomen: - Kation uitwisseling - Surface complexation - Pyriet oxidatie - Fe oxidatie/reductie - Organisch materiaal oxidatie - Nitrificatie - Calciet precipitatie/oplossing Kation uitwisseling en surface complexation zijn thermodynamische evenwichtsreacties. Pyriet oxidatie, Fe oxidatie/reductie, organisch materiaal oxidatie, nitrificatie en calciet precipitatie/oplossing zijn gemodelleerd als kinetische reacties. De snelheid van de kinetische reacties zijn bepaald aan de hand van eerder onderzoek ( Tabel 1). De formules waarmee de reactieconstanten zijn berekend bestaan uit concentraties van verschillende chemische componenten (Cchemische component) en verschillende andere parameters. Deze parameters zijn zoveel mogelijk geprobeerd in de range van eerder onderzoek te houden (Tabel 11). Tabel 1: De formules gebruikt om de reactieconstanten voor de kinetische reacties mee te berekenen. Reactie+ Literatuur Formule Reactieconstanten Pyriet oxidatie (Prommer & Stuyfzand, 25) r pyr = (C.5 O2 +f 2 C.5 NO3 )C.11 A pyr H+ (k pyr V )( C.67 ) C pyr + ((1 Ω pyr )/51) Fe oxidatie/reductie (Singer & Stumm, 197) Org. Mat. Oxidatie (Cappellen & Gaillard, 1996) r Fe 2+ = (k[oh ] 2 P O2 )C Fe 2+ C O2 C NO3 r som = C som ( C ) C som (r max(o2) ( ) + r k O2 + C max(no3) ( ) O2 k NO3 + C NO3 C SO4 + r max(so4) ( )) k SO4 + C SO4 Nitrificatie (Loveless & Painter, 1968) C AmmH + C O2 r nit = q m ( ) ( ) K mammh + + C AmmH + K mo2 + C O2 7 Acacia Water Eindrapportage

75 Calciet precipitatie/oplossing r cal = (k 1 C H+ + k 2 C CO2 + k 3 C H2 O( A cal V )( m..67 ) m cal Tabel 11: De gebruikte waarden van de verschillende parameters nodig om de reactieconstanten te berekenen. In de eerste kolom staan de gebruikte waarden voor de parameters en in de tweede kolom de gevonden ranges van de verschillende parameters uit eerder onderzoek. Gebruikte waarde: Literatuur: Pyriet oxidatie (Descourvieres & Prommer, 21) Ωpyr Nvt Saturation ratio pyrite Apyr/V.8 Sand:.2.36, silt: , clay: Fe oxidatie/reductie k 5x x1 11 (Davison & Seed, 1983) PO2 Nvt Partial pressure zuurstof Org. Mat. Oxidatie RmaxO2 1.57x x1-9 KO2 2.94x x1-4 RmaxNO3 1.67x x1-11 KNO3 1.55x x1-4 RmaxSO4 1x1-13 1x1-13 KSO4 1x1-4 1x1-4 Nitrificatie Qm 15x1-1 3x1-1 KmAmmH+ 1x1-6 1x1-6 KmO2 15x1-6 15x1-6 Calciet precipitatie/oplossing (Cappellen & Gaillard, 1996) (Loveless & Painter, 1968) (Descourvieres & Prommer, 21) Acal/V 2.98x1-4 Sand: (.4 1.8) x 1-1, silt: ( ) x1-2, clay: (3 4) x Nadere analyse van de meetresultaten t.b.v. modellering Nutriënten uitstroming naar oppervlaktewater Uitstroming van nutriënten gebeurd voornamelijk wanneer het oppervlaktewaterpeil lager is dan het grondwaterpeil. Het grondwater stroomt dan richting het oppervlaktewater, waardoor de nutriënten in de ondergrond in het oppervlaktewater terecht komen. Het oppervlaktewater wordt dus vooral in de wintertijd beïnvloed door de nutriënten uit het grondwater. Figuur 54 laat zien dat er tot week 15 grondwater uitstroomt naar het oppervlaktewater. Vanaf week 15 tot en met week 35 infiltreert het oppervlaktewater naar het grondwater. Nutriënten van het land kunnen alleen na hevige neerslag over het land naar het oppervlaktewater stromen. Na week 35 is er weer uitstroming vanuit het grondwater naar het oppervlaktewater. Sturen op Nutriënten Acacia Water 71

76 Figuur 54: In dit figuur zijn de grondwaterstand en het slootpeil vergeleken bij perceel 7, dynamisch gestuurd. Zodra het slootpeil hoger is dan het grondwaterpeil, infiltreert het oppervlaktewater naar het grondwater. Figuur 55: In de bovenstaande figuur wordt de relatie tussen de grondwaterstand en het bodemvocht weergegeven. Bij een stijging van de grondwaterstand, stijgt ook het bodemvocht. De grondwaterstand heeft ook invloed op het bodemvocht (Figuur 55). Een verhoging in het grondwater zorgt voor een verhoging van het bodemvocht. Een verhoging van het bodemvocht zorgt voor minder ruimte voor lucht in de poriën. Hierdoor zullen aerobe processen minder snel plaats vinden Relatie nutriënten in bodemvocht met grondwaterstand In de onderstaande paragrafen worden de relaties tussen de belangrijkste nutriënten en de grondwaterstand bekeken. In dit project, sturen op nutriënten, is de hypothese gesteld: de nutriënten uitstroom naar het oppervlaktewater kan gestuurd worden door middel van de grondwaterstand. In onderstaande grafieken zijn de belangrijkste nutriënten uitgezet tegen de grondwaterstand. Om als eerste stap de interactie tussen de nutriënten in het bodemvocht en de grondwaterstand te analyseren. Fosfaat In de onderstaande figuren geeft de blauwe gestreepte lijn de diepte van het meetpunt aan. Het meetpunt is de locatie waar een watersample uit het bodemvocht ontnomen is. Het deel van de grafiek tussen de twee groene gestreepte lijnen geeft het moment aan, waar de grondwaterstand onder het meetpunt komt. Zodra het meet punt boven de grondwaterstand komt, zal het meetpunt in aanraking komen met atmosferische lucht. Als het meetpunt zich onder de grondwaterstand bevindt, is het water onttrokken uit het grondwater. Fosfaat (PO4) is in onderstaande figuren aangegeven als fosfor (P). 72 Acacia Water Eindrapportage

77 Figuur 56: Fosfor concentraties op perceel 7, sample diepte is 35 cm, vergeleken met de grondwaterstand. In Figuur 56 is de fosfor concentratie geplot tegen de grondwaterstand over het meetjaar 215. De fosfor concentraties geven geen duidelijke trend. De concentraties blijven gemiddeld tussen de.5 en o.15 mmol/l. Mogelijk is er een verhoging van de concentratie te zien op het moment, rond week 34, dat de grondwaterstand stijgt. Figuur 57: Fosfor concentraties op perceel 7, sample diepte is 6 cm, vergeleken met de grondwaterstand. In Figuur 57 is een soortgelijke figuur weergegeven, maar hier is de sample diepte 6 cm. De grondwaterstand is de eerste 1 weken boven het meetpunt, waarna het er voor ongeveer 1 weken onder daalt, waarna het weer stijgt boven het meetpunt. Op het moment dat de grondwaterstand daalt onder het meetpunt is een duidelijke daling van de fosfor concentraties te zien. Zodra de grondwaterstand weer stijgt, stijgt ook de fosfor concentratie weer. Waarschijnlijk daalt de fosfor concentratie door sorptie met ijzer(hydro)oxiden. Deze ijzer(hydro)oxiden worden gevormd door de oxidatie van Fe(II) (Voor de relatie van ijzer en zwavel met de grondwaterstand, zie Bijlage 8). Figuur 58: Fosfor concentraties op perceel 7, sample diepte is 1 cm, vergeleken met de grondwaterstand. Figuur 58 toont het fosfor concentratie verloop op een diepte van 1 cm. Op deze diepte daalt de grondwaterstand niet meer onder het meetpunt. De fosfor concentratie is hierdoor een stuk constanter. Er is wel een daling van de fosfor concentratie te zien vanaf de start van de meetreeks tot het einde. Het sturen van fosfor concentraties in de ondergrond is mogelijk met behulp van de grondwaterstand. Bij een lagere grondwaterstand zal er meer fosfor binden. De aanleiding van deze binding is Sturen op Nutriënten Acacia Water 73

78 waarschijnlijk de oxidatie van Fe(II), met als gevolg de vorming van ijzer(hydro)oxides, waar fosfor aan bindt. Nitraat In Figuur 59 is het verloop van de nitraat concentratie te zien in perceel 7 op een diepte van 35 cm. De nitraat concentraties blijven relatief constant over de meetperiode. De nitraat concentraties lijken onafhankelijk van de grondwaterstand. Er lijkt bij een lagere grondwaterstand, en dus het contact met zuurstof, geen extra nitraat vorming te zijn door de oxidatie van ammonium. Figuur 59: Nitraat concentraties op perceel 7, sample diepte van 35 cm, vergeleken met de grondwaterstand. Hetzelfde verloop is ook te zien op een diepte van 6 cm (Figuur 6). De nitraat concentraties blijven hier ook relatief constant en lijken niet in verband te zijn met de grondwaterstand. Figuur 6: Nitraat concentraties op perceel 7, sample diepte van 6 cm, vergeleken met de grondwaterstand. Op een diepte van 1 cm blijft het meetpunt constant in het grondwater en heeft de grondwaterstand dus geen impact op de nitraat concentratie (Figuur 61). Figuur 61: Nitraat concentraties op perceel 7, sample diepte van 1 cm, vergeleken met de grondwaterstand. Aan de hand van bovenstaande figuren lijkt het sturen op nitraat met behulp van de grondwaterstand niet mogelijk. Theoretisch zouden hogere grondwaterstanden leiden tot reductie van zuurstof en nitraat. Wat leidt tot een vermindering van de nitraat concentraties. Dit proces is tijdens deze meetperiode niet waargenomen. De nitraat concentraties zijn op de verschillende diepten relatief stabiel en laten geen reductie van nitraat zien. 74 Acacia Water Eindrapportage

79 Ammonium De ammonium concentraties op perceel 7, op een diepte van 35 cm, lijken onder invloed van de grondwaterstand (Figuur 62). Op het moment dat de grondwaterstand daalt, en er zuurstof beschikbaar komt in het water, oxideert het ammonium naar nitraat. Het is duidelijk te zien dat op het moment van de grondwater daling het ammonium begint af te nemen. Als de grondwaterstand weer stijgt, stijgt ook de ammonium concentratie. Figuur 62: Ammonium concentraties op perceel 7, sample diepte van 35 cm, vergeleken met de grondwaterstand. Een vergelijkbaar proces is te zien op een diepte van 6 cm (Figuur 63). De ammonium concentraties zijn constant hoog. Een duidelijke daling is zichtbaar bij een daling van het grondwater. Op het moment dat het grondwater stijgt, stijgt ook de ammonium concentratie. Figuur 63: Ammonium concentraties op perceel 7, sample diepte van 6 cm, vergeleken met de grondwaterstand. In het grondwater lijkt er een lichte stijging van ammonium te zien (Figuur 64). Dit komt mogelijk door invoer van ammonium van dieper of ondiepere lagen. Figuur 64: Ammonium concentraties op perceel 7, sample diepte van 1 cm, vergeleken met de grondwaterstand. De ammonium concentraties in de ondiepe ondergrond lijken goed te sturen door middel van grondwaterstand veranderingen. Een verlaging van de grondwaterstand leidt tot een vermindering van ammonium in de ondiepe ondergrond. De oxidatie van ammonium is waarschijnlijk het proces wat er voor zorgt dat ammonium afneemt. Sturen op Nutriënten Acacia Water 75

80 8.5.3 Relatie nutriënten in oppervlaktewater met grondwaterstand In bovenstaande paragrafen is aangetoond dat de grondwaterstand zorgt voor veranderingen in de concentraties van verschillende nutriënten in de ondergrond. Het sturen op nutriënten heeft als doel om de nutriëntenstroom naar het oppervlaktewater te verminderen. In deze paragraaf wordt er gekeken of de verandering in de grondwaterstand invloed heeft op de concentratie van verschillende nutriënten in het oppervlaktewater. Figuur 65: Nitraat, fosfor en ammonium concentraties in het oppervlaktewater bij Perceel 7. De nutriënten concentraties staan samen met de grondwaterstand geplot in de grafiek. De gestippelde groene lijnen zijn de bemestingsgiften op de andere percelen. Figuur 65 geeft de nutriënten concentraties aan, in het oppervlaktewater liggend tegen perceel 7. De verschillende grondwaterstanden hebben invloed op de nutriënten concentraties. Twee onduidelijke, maar logische trends zijn te zien in de nitraat en fosfor concentraties. De nitraat concentraties lijken bij een lage grondwaterstand meer te schommelen. Meer metingen zijn gedaan met hogere nitraat concentraties tijdens de lage grondwaterstand. Op het moment dat de grondwaterstand stijgt, wordt de nitraat concentratie constanter en lager. De verhoogde grondwaterstand leidt tot een groter anaeroob volume in de ondergrond, en dus ook een groter volume waar nitraat reductie kan optreden. De fosfor concentraties lijken lichtelijk te dalen tijdens de lage grondwaterstand. Op het moment dat de grondwaterstand stijgt, is er een piek te zien in de fosfor concentratie. De verlaging van de 76 Acacia Water Eindrapportage

81 grondwaterstand leidt tot fosfor binding aan ijzer(hydro)oxiden. Op het moment dat er geen zuurstof beschikbaar is worden de ijzer(hydro)oxiden terug gevormd naar Fe(II) en komt het fosfor in het bodemvocht terecht. De duidelijkste trend is te zien bij de ammonium concentraties. Zonder de meetpunten die in dezelfde week vallen als de bemestingsgiften, is er een duidelijk constante trend te zien bij een lage grondwaterstand. Op het moment dat de grondwaterstand stijgt en de grond weer anaeroob wordt, wordt er ook minder ammonium omgezet. Dit is te zien in het oppervlaktewater, waarin een stijging van ammonium is te zien, na de stijging van de grondwaterstand. De trends voor fosfor en nitraat zijn niet overduidelijk, maar wel logisch. De veranderingen in de grondwaterstand hebben invloed op de concentraties van fosfor en nitraat in het oppervlaktewater. Een hogere grondwaterstand leidt tot een piekafvoer van fosfor en een daling van nitraat concentraties. De trend voor ammonium is duidelijker, een hogere grondwaterstand leidt tot hogere ammonium concentraties in het oppervlaktewater Trends in ondergrond De grondwaterstand lijkt van een grote invloed op de compositie van het bodemvocht. Een lagere grondwaterstand leidt tot atmosferische lucht bij het bodemvocht. De belangrijkste component in de lucht is zuurstof. Zuurstof is de sterkste elektron donor en zorgt voor verschillende redoxreacties (Appelo & Postma, 1995; Madigan, Martinko, Parker, & Brock, 25). De compositie van het bodemvocht van perceel 7 open een diepte van 6cm in het jaar 215 is weergegeven in Figuur 66. Figuur 66: Compositie bodemvocht van perceel 7 op een diepte van 6cm, gemeten in 215 Voor de verschillende ionen zijn verschillende trends zichtbaar: ph, geen duidelijke trend zichtbaar. Elke meting varieert met waarden tussen de 5.8 en 7.2. Ca, de calcium concentraties variëren tussen de 54 en 75 mmol/l. Er lijkt wel een stijgende trend zichtbaar. Mogelijke verklaringen zijn calciet oplossing of kation uitwisseling. Fe, de ijzer concentraties laten een duidelijke daling zien van week 24 t/m week 35, waarna een duidelijke stijging volgt. Een logische verklaring hiervoor is de reductie/oxidatie van ijzer. Op het moment van contact met zuurstof oxideert Fe(2+) naar Fe(3+), wat verder reageert en neerslaat als een ijzer(hydro)oxide. SO4, vanaf week 26 is er een duidelijke stijging te zien in de sulfaat concentratie, deze stijging stopt niet tot het einde van de meetperiode. Mogelijke redenen van deze stijging zijn pyriet oxidatie of lokale aanvoer bij verhoogde grondwaterstanden. Sturen op Nutriënten Acacia Water 77

82 PO4, fosfaat toont een vergelijkbare trend als ijzer. Van week 24 t/m week 35 is er een sterke daling in de fosfaat concentratie. Een verklaring kan zijn de adsorptie aan de vers geprecipiteerde ijzer(hydro)oxiden. NO3, nitraat lijkt een vrij constante concentratie te hebben, met 1 piek in week 38. NH4, ammonium concentraties dalen vanaf week 24 tot en met week 35. De daling is langzamer dan de daling van de ijzer concentratie. Na week 35 stijgt de concentratie. HCO3, bicarbonaat/alkaliniteit is bepaald aan de hand van een elektronenbalans. De grote verschillen tussen de data voor en na week 35 tonen aan dat de bicarbonaat/alkaliniteit concentraties niet nauwkeurig zijn. Al, aluminium concentraties dalen vanaf week 24 tot en met week 35. Waarna de concentraties weer terugkeren naar ongeveer de oorspronkelijke concentraties. Niet alle processen zijn onder invloed van de grondwaterstand. De concentraties van ijzer, fosfaat, ammonium en aluminium lijken onder invloed van vervolgreacties van de dalende grondwaterstand. Figuur 67 laat een schematische weergave zien van veenafbraak in het veenweidegebied. In dit figuur is een duidelijk verschil te zien in de verwachtte reacties inclusief zuurstof (aeroob) en exclusief zuurstof (anaeroob), (Smolders, 213). Figuur 67: Schematische weergave van de veenafbraak (oxidatie van veen) in het veenweidegebied. 8.6 PHREEQC simulatie perceel 7 Het PHREEQC model toont gelijkenissen en verschillen met het geanalyseerde bodemvocht. Dit betekent dat sommige processen beter begrepen worden dan de andere. In het PHREEQC model zijn de processen meegenomen die ontstaan door het contact met zuurstof door de lagere grondwaterstand en de processen in thermodynamisch equilibrium. Hieronder worden de uitkomsten van het PHREEQC model voor de belangrijkste ionen berekend (Figuur 68). ph De ph uit de analyse geeft uiteenlopende waarden door de tijd aan. De waarden variëren tussen de 5.8 en 7.2. Het PHREEQC model toont een afnemende trend van 6.1 naar 5.9. De waarden uit de analyses vallen niet na te bootsen in het model. Ook de gemodelleerde dalende trend is niet terug te zien in de geanalyseerde data. De vraag is of de sterk variërende waarden correct zijn of dat er andere waarden gemeten zouden zijn als de ph direct in het veld zou zijn gemeten. Appelo & Postma, 1995, heeft veldmetingen vergeleken met latere laboratorium metingen van de ph. Het plotten van de 78 Acacia Water Eindrapportage

83 veldmetingen tegen de laboratorium metingen laat substantiële verschillen zien. De laboratorium metingen zijn gemiddeld lager dan de metingen in het veld. Ca + Alkaliniteit Calcium en alkaliniteit (HCO3) zijn sterk aan elkaar gekoppeld. De alkaliniteit is niet geanalyseerd, voor realistische waarden moet de alkaliniteit in het veld gemeten worden. De alkaliniteit is bepaald aan de hand van een elektronenbalans. Figuur 68: De compositie van het bodemvocht in perceel 7 op 6 cm. De groene lijn geeft de gemeten concentraties aan en de blauwe lijn de in PHREEQC gemodelleerde concentraties. kationen = anionen De berekende alkaliniteit is niet accuraat met waarden tussen de 2 en 3 mmol/l. De inaccurate alkaliniteit concentraties zorgen voor moeilijkheden tijdens het modelleren van calciet oplossing/precipitatie en de concentraties van alkaliniteit, calcium en ook van de ph (alkaliniteit buffert de ph). Fe - ijzer Ijzer(II) oxidatie gebeurd op het moment dat er zuurstof beschikbaar is. Dit proces is een kinetisch proces afhankelijk van de zuurstof concentratie, ph en de ijzer(ii) concentratie. De gemodelleerde afname van ijzer(ii) komt goed overeen met de gemeten afnamen van ijzer(ii). SO4 - sulfaat De sulfaat concentraties gemeten en gemodelleerd lijken goed overeen te komen. Door de oxidatie van pyriet komt er sulfaat vrij. Toch zijn er een paar verrassende verschillen tussen de sulfaat concentraties gemodelleerd en gemeten. Het eerste verschil is de latere stijging van de sulfaat concentratie vergeleken met de gemodelleerde concentraties. Deze latere stijging is helemaal verassend als de sulfaat stijging wordt vergeleken met de daling van de ijzer concentratie. Beide reacties worden gestart door de aanraking met zuurstof, maar beide reacties beginnen beide op een ander tijdstip. Ook onverwacht is de stijging van de gemeten sulfaat concentraties na de verhoging van de grondwaterstanden. De verhoging Sturen op Nutriënten Acacia Water 79

84 van de grondwaterstand zorgt ervoor dat er geen zuurstof meer beschikbaar is in de bodem (ook te zien aan de toename van de ijzer(ii) concentraties) en er dus ook geen pyriet meer oxideert (de bron van de stijging van de sulfaat concentratie). Toch blijft na de verhoging van de grondwaterstand de sulfaat concentratie stijgen. Een mogelijke oorzaak is de uitspoeling van sulfaat uit de bovenlaag of het vrijkomen van geadsorbeerd sulfaat. PO4 - fosfaat De fosfaat concentratie toont een dalende trend. Fosfaat adsorbeert aan ijzer en aluminiumoxiden de oxidatie van Fe(II) zorgt voor de vorming van nieuwe ijzeroxiden waar het fosfaat aan adsorbeert. Toch is de fosfaat sorptie niet gelijk aan de gemeten fosfaat concentratie. Mogelijke oorzaken hiervan zijn te grote onnauwkeurigheid van de ph metingen. Een andere mogelijkheid zou de dalende aluminium concentraties kunnen zijn, die mogelijk tot aluminiumoxiden zijn gereageerd. Fosfaat kan vastgelegd worden aan aluminiumoxiden. NO3 - nitraat De nitraat concentratie gemeten en gesimuleerd komen niet overeen. Dit komt door een versimpeling in het model. PHREEQC gaat ervan uit dat als er zuurstof en nitraat beschikbaar is, dat eerst het zuurstof reduceert en daarna het nitraat. De hoge nitraat gehaltes komen door de constante beschikbaarheid van zuurstof in het model, hierdoor wordt het nitraat niet gereduceerd. NH4 - ammonium Nitrificatie is het proces dat ammonium laat reageren tot nitraat in zuurstofrijke omstandigheden. Op het moment dat de grondwaterstand onder de 6 cm zakt begint de reactie. Een vergelijkbare reactie is gesimuleerd en gemeten. Al - aluminium Aluminium is een kation die niet is betrokken bij redox reacties. Toch daalt de Aluminium concentratie duidelijk gelijk met de beschikbaarheid van zuurstof. Er zijn twee mogelijkheden voor de duidelijke daling van de aluminium concentraties na het dalen van de grondwaterstand. De eerste mogelijkheid is een verhoging van de ph tijdens de daling van de grondwaterstand. Aluminium is sterk afhankelijk van de ph. Bij een lage ph verschijnt aluminium als Al3+ en bij een ph boven de 6 is aluminium vooral terug te vinden als het neergeslagen gibsiet, Al(OH)3. Nauwkeurigere ph metingen kunnen dit aantonen. De tweede mogelijkheid is surface complexation van aluminium aan de vers neergeslagen ijzerhydroxiden (Lövgren, Sjöberg, & Schindler, 199). Dit is een proces dat niet in de modellering is meegenomen Begrip processen De modellering toont duidelijk aan dat niet alle processen, die invloed hebben op de nutriënten in de ondergrond, begrepen worden o.a. op basis van het schema vansmolders, 213. De processen nitrificatie en ijzer reductie/oxidatie tonen duidelijke overeenkomsten met de metingen. Andere processen hebben uitgebreidere analyses nodig om de variatie in de gemeten concentraties te kunnen verklaren. Voor een beter begrip van de oxidatie van organisch materiaal zou in het veld de alkaliniteit (het belangrijkste product van dit proces) gemeten moeten worden. Daarnaast zijn een groot deel van de processen afhankelijk van de ph. nauwkeurigere ph metingen in het veld zullen zorgen voor nauwkeurigere modellering van pyriet oxidatie, surface complexation, calciet oplossing/precipitatie, kation uitwisseling en aluminium concentraties Vergelijking verschillende percelen In het hydrogeochemische model wordt alleen het bodemvocht van perceel 7 op een diepte van 6 cm gemodelleerd. Het is belangrijk om te weten hoe dit zich laat vergelijken met het bodemvocht van andere percelen op dezelfde diepte. Figuur 69 laat een vergelijking zien tussen de verschillende percelen (2,7 en 13) met de verschillende peilopzetten. De concentraties van de verschillende ionen 8 Acacia Water Eindrapportage

85 verschillen per perceel redelijk. Toch zijn de verschillende trends bij alle ionen herkenbaar voor alle percelen. De processen die plaatsvinden zijn niet per perceel verschillend. Figuur 69: Vergelijking compositie bodemvocht 6cm verschillende percelen Figuur 7: Vergelijking bodemvocht op 35, 6 en 1 cm in perceel 7. Sturen op Nutriënten Acacia Water 81

86 8.6.3 Vergelijking bodemvocht verschillende dieptes In Figuur 7 zijn de geanalyseerde bodemvocht samples van perceel 7 op de verschillende diepte vergeleken. De hypothese van deze modellering was dat de daling van de grondwaterstand, en dan voornamelijk het vrijkomen van zuurstof, de meeste processen verklaart in het bodemvocht. Dit kan aangetoond worden door de bodemvocht samples van 35 en 6cm-mv te vergelijken met de bodemvocht samples van 1cm-mv. De trends in de bodemvocht samples van 35 cm-mv zijn moeilijk te vergelijken met de samples op 6 cm-mv. Waarschijnlijk komt dit door bemesting, opname van nutriënten door planten en de effecten van precipitatie en evapotranspiratie. De bodemvocht samples van 1 cm-mv tonen een constantere concentratie. Dit is te verklaren door de grondwaterstand. De grondwaterstand duikt niet onder de meetlocatie, waardoor er geen contact met zuurstof plaats vindt. 8.7 PHREEQC modelscenario s Met behulp van het ontwikkelde model zijn verschillende scenario s bestudeerd en de mogelijkheden tot het sturen van nutriënten. Het eerste scenario laat zien wat er in het bodemvocht op 6cm gebeurd als de grondwaterstand (door middel van onderwaterdrains) met 1 cm stijgt. Het tweede scenario is een modellering gekoppeld aan het HYDRUS 2D model (Simunek, Sejna, & Genuchten, 1996). Dit scenario bekijkt de verschillen in beschikbare nutriënten tussen 2 locaties: boven de drain en tussen de drains in Verhoging grondwaterstand Het doel van de onderwaterdrains is een stijging van de grondwaterstand. Door een stijging van de grondwaterstand veranderen de omstandigheden in het aquifer. In dit scenario wordt gekeken wat de invloed is van een stijging van de grondwaterstand van 1 cm (vergeleken met de grondwaterstand gemonitord in 215) op het bodemvocht op 6 cm-mv (Figuur 71). Figuur 71: Sturen op nutriënten met een stijging van de grondwaterstand. De groene lijn geeft de model simulatie met een verhoogde grondwaterstand en de blauwe lijn met de normale grondwaterstand (gemeten in 215). In de meest rechtse figuur van Figuur 71 staat de grondwaterstand weergegeven. De grondwaterstand is over de hele periode verhoogd met 1 cm. Uit de andere figuren blijkt dat deze verhoging een belangrijke impact heeft op de nutriënten op deze diepte. Doordat er pas later in de tijd zuurstof beschikbaar is gebeuren alle redox reacties later als met een lagere grondwaterstand, daarnaast stoppen 82 Acacia Water Eindrapportage

87 de reacties ook eerder. Dit leidt tot lagere sulfaat concentraties en hogere ijzer en ammonium concentraties. In de simulatie is door de geringe beschikbaarheid van zuurstof het nitraat gereduceerd. Het is ook te zien dat er minder fosfaat vastgelegd wordt. Dit komt doordat er minder ijzer is geoxideerd en daardoor minder ijzer(hydro)oxiden zijn ontstaan. De ijzer(hydro)oxiden zijn de locaties waar het fosfaat vastgelegd wordt. Een resultaat van de lagere vastlegging van fosfaat is dat er bij een verhoging van de grondwaterstand een minder grote fosfaat piek los komt bij de reductie van de ijzer(hydro)oxiden Simulatie boven drain en tussen de drains Een koppeling tussen het HYDRUS 2D model en PHREEQC is gemaakt om de verschillen in compositie van het bodemvocht te berekenen boven de drains en tussen de drains (Figuur 72). In Figuur 72 staan het HYDRUS 2D model op een droge dag en de daarbij horende PHREEQC simulaties weergeven. Het verschil in bodemvocht tussen het punt boven drain en het punt tussen drains is ongeveer.2. Dit verschil in bodemvocht leidt ook tot een verschil in toegankelijk zuurstof. Het verschil in zuurstof concentratie is de oorzaak van de verschillen in nutriënten concentratie. Er wordt er vanuit gegaan dat het zuurstofrijke water uit de drains geen invloed heeft op de zuurstof concentratie boven de drain. De grond is rijk aan pyriet en organisch materiaal, waardoor er verwacht wordt dat het zuurstof binnen een dag gereduceerd is. Het veen heeft een doorlaatbaarheid van 1 cm/dag, wat betekent dat er alleen binnen een radius van 1 cm naast de drain zuurstof aanwezig is. De simulatie laat blijken dat de afstand van de drain een belangrijke invloed kan hebben op de nutriënten in het bodemvocht. De locatie tussen de drains laat door een hogere zuurstof concentratie snellere oxidatie van ijzer, pyriet (met toename van sulfaat tot gevolg) en ammonium zien. Door de snellere oxidatie van ijzer kan er ook meer fosfaat vastgelegd worden aan ijzer(hydro)oxiden. Figuur 72: Compositie bodemvocht op 6cm-mv gesimuleerd tussen de drains en boven de drains. 8.8 Bevindingen De kwaliteitsmetingen geven aan dat het sturen van nutriënten met de grondwaterstand mogelijk is. Er is ook een duidelijk verband tussen de grondwaterstand en het bodemvocht. Een stijging van het grondwater leidt tot een groter volume verzadigde grond, waar anaerobe processen plaats vinden. In de Sturen op Nutriënten Acacia Water 83