Verzuring en vermesting Computer Ondersteund Onderwijs oefen- en zelftoetsmodule bij Ecologie eerste jaar versie 2 - juni 2004 Luchtverontreiniging in Noordwest-Europa 1. Zure regen wordt met name veroorzaakt door emissie van zwaveldioxide, stikstofoxide en ammoniak. Waar komen deze emissies vooral vandaan? verbranding fossiele brandstof in industrie landbouw (mest) Zwaveldioxide Stikstofoxide Ammoniak industriële productieprocessen uitlaatgassen verkeer 2. In deze grafiek zijn de emissies in Nederland weergegeven voor zwaveldioxide en ammoniakgas voor de periode 1930-1965. In de vijftiger jaren werd in Nederland aardgas gevonden, en men ging rond 1965 op grote schaal over van aardolie en kolen op aardgas. A. Wat betekende dit voor de emissies van deze stoffen in 1975 (10 jaar later)? SO 2 NH 3 B. Door intensivering van de veeteelt stijgt de emissie van NH 3 nog sneller dan vóór 1965. De daling van zwaveldioxide-emissie stijgt daarna weer doordat er meer industrie komt. Na 1980 daalt de emissie weer, en halverwege de jaren tachtig begint ook de emissie van ammoniakgas te dalen. Waardoor ontstaat deze daling?
3. In de atmosfeer reageren SO 2, NH 3 en NO 3 en NO 2 met stoffen uit de lucht (zuurstof, ozon, OH - en water), met elkaar, en met uit de andere reacties ontstane stoffen. Hieruit ontstaan de zuren die de naam aan de zure regen geven. Noem de zuren die uit deze stoffen in de lucht kunnen ontstaan. 4. Ammoniak is eigenlijk een base (kan een H + opnemen), maar wordt toch gerekend tot de veroorzakers van 'zure' regen. Waarom is dat? 5. De neerslag in Nederland heeft niet op elke plaats dezelfde samenstelling. Zo is er op sommige plaatsen een zeer hoog SO 2 -gehalte, maar nauwelijks NH 3 aanwezig, en op andere plaatsen is de situatie precies andersom. A. Geef op deze kaart van Nederland aan in welke provincies je hoge concentraties SO 2 verwacht. B. Geef op deze kaart van Nederland aan in welke provincies je hoge concentraties NH 3 verwacht.
6. Hiernaast zie je een schematische voorstelling van een bos op een berghelling. De wolken worden door de wind steeds tegen de helling opgeduwd, waar ze dan opstijgen en er regen uit valt. Hierdoor zijn er drie verschillende zones: een regenzone onder de wolken met veel neerslag, een wolkenzone met veel minder neerslag, en een droge zone boven de wolken met zeer weinig neerslag. Een mooi voorbeeld hiervan is de Teide op Tenerife, die altijd boven de wolken uitsteekt. Alleen in de onderste zone valt regen. A. Heeft bij luchtvervuiling de zone die altijd boven de wolken blijft daar ook last van? B. In de wolkenzone valt weinig regen, maar toch vindt daar naast regen niet alleen droge depositie plaats. Op welke manier vindt hier nog meer depositie plaats? 7. De hoeveelheid droge depositie van S en N is afhankelijk van de concentratie in de lucht, die bepaald wordt door de uitstoot van de bedrijven in de omgeving. Tevens is het afhankelijk van de aard van het landschap en de vegetaties zelf ('hoge bomen vangen veel wind'). Men vergelijkt loofbossen en naaldbossen van dezelfde leeftijd en opbouw. Het blijkt dat in naaldbossen uit lucht met dezelfde concentraties meer droge depositie plaatsvindt. Hoe zou dit te verklaren zijn?
Verzuring 8. Korstmossen hebben geen cuticula: gassen en aerosolen dringen direct in de cellen door. Ze zijn daarom zeer gevoelig voor de directe effecten van luchtverontreiniging. Dankzij de directe toxische effecten van SO 2 in de lucht neemt het aantal soorten dan ook tot eind jaren '80 dramatisch af. In de jaren '90 beginnen een aantal korstmossoorten weer terug te komen, dankzij de verlaagde zwaveldioxide-uitstoot (daling met 80%). Van welke ecologische groep korstmossen verwacht je de grootste toename? A. Nitrofytische korstmossen B. Acidofytische korstmossen C. Neutrale korstmossen 9. Sommig grasland was vroeger heide, maar is door de sterke verzuring en vermesting totaal vergrast. Door te bekalken kan men de ph van 4 naar 5,2 verhogen. Dit is het resultaat van een chemische reactie van kalk met protonen in de bodem. A. Geef deze reactievergelijking. Er ontstaat nu een overmaat aan Ca 2+ -ionen. B. Wat gebeurt er met deze overmaat? 10. In kalkrijke gronden reageert het zuur uit de neerslag met de kalk: CaCO 3 + 2H + Ca 2+ + H 2 O + CO 2 Welke stoffen kunnen ontstaan uit eventuele vervolgreacties? 11. In Gelderland is er veel verzurende depositie. Bij een zure bodem (ph < 4,5) zullen aluminiumionen op dezelfde wijze in het grondwater terechtkomen als calcium uit kalkhoudende gronden.
In deze figuur is het Al 3+ -gehalte van het bovenste grondwater aangegeven onder de verschillende type gronden in Gelderland. Waardoor zijn er op bouwland en grasland zoveel minder aluminiumionen aanwezig? 12. Heldere voedselarme (oligotrofe) wateren zijn zeer zwakgebufferd (ph 5-6). In water zit veel minder anorganische koolstof, die bij deze ph voor de helft als HCO 3 - en voor de helft als CO 2 is opgelost. In dit water komen veel isoetide ondergedoken waterplanten voor, zoals knolrus. Deze hebben geen huidmondjes, en nemen alleen CO 2 via de wortels op. Dit komt door decompositie vrij uit het sediment. Bij waterverzuring blijken bepaalde ondergedoken snelgroeiende planten, zoals knolrus en veenmos, juist goed te groeien. Wat is hiervan de oorzaak? 13. Eind jaren '80 vermoedde men dat koolmezen in bossen op arme zandgronden veel minder jongen groot konden brengen. Er werd een onderzoek gestart, gefinancieerd door de regering, om dit te onderzoeken. De onderzoekers bekeken het broedsucces van koolmezen in 7 verschillende bossen. A. Is het waarschijnlijk dat deze resultaten het gevolg zijn van voedselgebrek? B. Is het waarschijnlijk dat de zure regen het kalk in de eierschalen een beetje heeft opgelost?
Onderzoekers bekeken het broedsucces van koolmezen. De eierschalen bleken in bossen op arme zandgronden van slechte kwaliteit. Men vermoedde dat hier de koolmeesjes minder kalk tot hun beschikking hebben. Het gebruik van kalkbronnen door koolmezen wordt onderzocht. De koolmezen bleken moeite om aan hun hoofdvoedsel slakken te komen. C. Waardoor zijn er zoveel minder slakken in de bossen? D. Welke conclusie over de koolmezen op kalkarme gronden is het meest accuraat?
Vermesting (eutrofiëring) 14. Verhoogde toevoer van stikstofverbindingen leidt meestal tot een verlaging van het soortenaantal doordat enkele soorten stikstofminnende planten de oorspronkelijke soorten verdringen. In sommige omstandigheden leidt verhoogde toevoer van stikstof echter tot een verhoging van het soortenaantal. Onder welke omstandigheden neemt het soortenaantal toe? 15. Tot voor kort werd de boomgroei in de bossen van Nederland beperkt door de hoeveelheid beschikbare stikstof. In productiebossen werd zelfs extra gemest met stikstofverbindingen. Na de tweede wereldoorlog neemt de depositie van stikstofverbindingen echter toe, en nu is de depositie van N groter dan de behoefte van de bossen. Door onder andere denitrificatie kan deze N weer uit het ecosysteem verdwijnen. A. In welke vorm verdwijnt de stikstof bij denitrificatie? B. Hoe wordt dit gevormd? C. Is denitrificatie een heterotroof of een autotroof proces? D. Denitrificatie kan het effect van stikstofdepositie op een ecosysteem verminderen. In welk bos verwacht je het meeste effect van denitrificatie? eiken/berkenbos dennenbos elzenbroekbos 16. In Europa komen veel soorten bossen voor. Het meeste onderzoek in Nederland is echter uitgevoerd aan enkele naaldhoutsoorten op zure tot matig zure voedselarme bodems. Daarover bestaan dus de meeste gegevens; over andere typen bos is veel minder bekend. Waarom is er vrijwel geen onderzoek gedaan naar de effecten van stikstofdepositie in bijvoorbeeld eiken/berkenbos? 17. Er zijn drie redenen te noemen waarom extra stikstoftoevoer in combinatie met bodemverzuring juist kan leiden tot verminderde nutriëntenopname van de bomen. Noem deze.
18. Als er veel verzurende depositie is, kunnen bomen een tekort aan water krijgen. A. Noem twee redenen waarom bomen watertekort krijgen. Ook bij niet schadelijke hoeveelheden depositie kan watergebrek optreden. Omdat de concentratie nutriënten hoger is gaat de boom minder wortels aanmaken, maar ontwikkelt wel veel biomassa (grote bladerkroon). Hierdoor neemt de verdamping toe, maar het wateropnemend vermogen af, waardoor ook watergebrek kan ontstaan. B. Welk ander probleem doet zich voor bij deze bomen? 19. Met het toenemen van de stikstofdepositie werd in eerste instantie de groei van de Nederlandse bossen gestimuleerd. Pas toen de depositie groter werd dan de behoefte nam de concentratie stikstof in de naalden van de bossen toe. A. Waarom nam de concentratie stikstof in de bladeren daarvoor niet toe? B. In welke vorm slaat de boom stikstof op bij een overschot? C. Dit is verder niet schadelijk voor de plant. Welk probleem krijgt de plant hierdoor wel? 20. In kalkgraslanden wordt de verzurende depositie geneutraliseerd door het kalk in de bodem (meer dan 90%). Het enige effect is hier eutrofiëring. In kalkgraslanden constateerde men hierdoor toch een achteruitgang van het aantal soorten in kalkgraslanden. A. Waardoor neemt het aantal soorten af, als alle soorten in principe toch voordeel hebben van de extra meststoffen op deze arme gronden? Om de eutrofiëring in kalkgraslanden te onderzoeken, zijn proeven gedaan met bemesting met verschillende samenstelling. Alle grassen deden het significant beter bij een bemesting met zowel K, P als N. Vlinderbloemigen blijken alleen sterk te reageren op een gift aan fosfaten, en daar sterk van te gaan groeien. In velden die alleen met P bemest zijn nemen de vlinderbloemigen dan ook in aantal toe. B. Waardoor reageren vlinderbloemigen alleen bij een gift aan fosfaat, en niet op stikstof?
21. In kalkgraslanden neutraliseert de kalk de verzurende depositie, waardoor een grote concentratie calcium in de bodem ontstaat. Dit spoelt uit naar het grondwater. Voor de elektroneutraliteit zal er ook een negatief ion moeten uitspoelen. Welk ion is dit waarschijnlijk? 22. Er zijn vier buffermechanismen waarmee het zuur uit de depositie wordt geneutraliseerd. Carbonaatverwering is in kalkgraslanden het belangrijkste. A. Welk mechanisme is het belangrijkste in heidevelden? B. Welk mechanisme speelt bij buffering van zure regen nergens een grote rol? 23. Om meer inzicht te krijgen in de concurrentiestrijd tussen heide- en grassoorten zijn een aantal bemestingsproeven gedaan (volgens het principe van De Wit). Verschillende stikstofhoeveelheden werden toegediend aan vegetaties van: een mengcultuur van struikheide (Calluna vulgaris) en pijpestrootje (Molinia caerulea) een mengcultuur van gewone dopheide (Erica tetralix) en pijpestrootje monoculturen van de afzonderlijke soorten Na drie groeiseizoenen werden de planten geoogst en werd de biomassa (g/m²) bepaald. De resultaten van deze experimenten zijn weergegeven in twee zogenaamde vervangingsdiagrammen.
A. Welke vorm heeft de lijn als de intraspecifieke concurrentie sterker is dan de interspecifieke concurrentie? De vorm van een lijn in de grafiek vertelt ons hoe de intraspecifieke concurrentie zich verhoudt tot de interspecifieke concurrentie. B. Geef van de volgende uitspraken aan welke vorm de grafiek heeft. Intraspecifieke competitie = Interspecifieke competitie Intraspecifieke competitie > Interspecifieke competitie Intraspecifieke competitie < Interspecifieke competitie C. Bij welke stikstofniveau's is Erica een sterkere concurrent dan Molinia? Calluna is bij alle N-giften een betere concurrent dan Molinia. N is blijkbaar niet bepalend voor de concurrentie positie van Calluna ten opzichte van Molina. D. Verklaar dit in biologische termen. Dit komt doordat Calluna een betere concurrent is dan Molinia voor... 24. Op heidevelden blijkt stikstof nauwelijks uit te spoelen: het wordt opgeslagen in het systeem (in de planten zelf). Om deze stikstof weer beschikbaar te hebben voor groei moet het uit dood materiaal worden vrijgemaakt. Dit gebeurt door mineralisatie. Door de hei af te plaggen hoopt men de eutrofiëring van de hei tegen te gaan. A. Wat verwacht je van de mineralisatie na het plaggen? B. Wat is hiervoor de reden?
Maatregelen 25. Verzuring en vermesting van ecosystemen kunnen leiden tot een veranderende soortensamenstelling, een afname in biodiversiteit, en zelfs tot de verandering van het ene ecosysteem in het andere. Van nature zijn ecosystemen ook onderhevig aan veranderingen. A. Hoe wordt dit proces ook wel genoemd? Dit proces binnen een ecosysteem is een natuurlijk proces. Een voorbeeld is de successie van open water via een basisch laagveen naar een matig zuur hoogveen. Hoewel hier ook verzuring plaatsvindt wordt deze ontwikkeling als natuurlijk beschouwd. De huidige laagvenen verzuren ook. B. Wat is het wezenlijke verschil met de natuurlijke successie, waardoor wij vinden dat we moeten ingrijpen? 26. Om de effecten van verzuring en vermesting tegen te gaan zijn verschillende manieren van aanpak mogelijk: 1. brongerichte maatregelen, en 2. effectgerichte maatregelen. Hoewel brongerichte maatregelen duidelijk de beste keus zijn als je kijkt naar duurzaamheid, worden ook vaak effectgerichte maatregelen toegepast. Noem hiervoor drie redenen. 1. 2. 3. 27. Door de overheid zijn een aantal regelingen en wetten ingesteld om de uitstoot van verzurende en eutrofiërende stoffen te verminderen. Zo zijn er bijvoorbeeld voor de uitstoot van gassen regels voor industrie, landbouw en verkeer. Geef voor elke categorie de brongerichte maatregelen: Industrie: Landbouw: Verkeer: 28. De bossen hebben momenteel last van verzuring: er ontstaat wortelschade en belemmering in de opname van voedingsstoffen. Tot voor kort hadden veel bossen als voornaamste functie houtproductie. Als dit nu nog het geval was, zou men maatregelen willen nemen om deze effecten tegen te gaan. A. Welke maatregelen kan men dan nemen?
Deze maatregelen hebben voordelen, maar ook nadelen. B. Geef aan welke voor- en nadelen deze maatregelen elk hebben. C. Welke aanvullende maatregel kan men toepassen om het nadeel van bekalken teniet te doen? 29. Door verzuring en vermesting zet zich op de bodem in veel meren een dikke organische toplaag af, wat in een "gezond" meer niet gebeurt. Baggeren is een van de maatregelen die toegepast kunnen worden om oppervlaktewateren te herstellen. Waarom ontstaat deze dikke baggerlaag? 30. In heideterreinen worden diverse maatregelen toegepast om nutriënten af te voeren. Zet de hieronder genoemde maatregelen in de volgorde van effectiviteit, waarbij nummer 1 de meest nutriënten afvoert en nummer 4 de minste. 1. 2. 3. 4. 31. In ecosystemen doorlopen de nutriënten een kringloop. Deze hoeft niet altijd gesloten te zijn. Deze figuur is een simplistische weergave van zo'n open nutriëntenkringloop. De hiervoor genoemde maatregelen grijpen direct in deze kringloop in. A. (- D.) Geef de plaats aan waar deze maatregelen direct in deze kringloop aangrijpen.
Uitspoeling is het proces dat (hopelijk) indirect wordt beïnvloed door deze maatregelen. Uitspoeling van stikstofhoudende verbindingen houdt wel een afname in van N met betrekking tot het betreffende ecosysteem. Het heeft echter ook belangrijke nadelen. B. Noem twee nadelen. 1. 2. 32. Dit grasland was vroeger heide, maar is door de sterke verzuring en vermesting totaal vergrast. Hieronder staan enkele gevonden waarden voor dit gebied. Men wil de heide met de bijzondere soorten, die kenmerkend zijn voor matig zure voedselarme omstandigheden, weer terugkrijgen. Men plagt dit gebied, en meet het effect: de nitraatproductie wordt meer dan gehalveerd, maar de zuurgraad neemt nauwelijks af. Wel wordt de grond droger. A. Waarom heeft plaggen wel invloed op de bodemvochtigheid? Naast het plaggen gaat men nu ook bekalken, en meet weer het effect: de zuurgraad vermindert drastisch, maar de nitraatproductie gaat sterk omhoog. De grond wordt ook hier iets droger. B. Waarom gaat de nitraatproductie zo sterk omhoog?