Stikstofbenutting uit mest

za, 11/17/2012 - 12:43

 

Hoofdstuk 1. Theorie stikstof en hypothese

§1.1 Inleiding

Dit hoofdstuk geeft een algemene beschrijving van de stikstofwerking, afkomstig uit drijfmest. Hierbij komen de volgende processen aan de orde die deze werking beïnvloeden: mineralisatie, nitrificatie, denitrificatie, ammoniakvervluchtiging en nitraatuitspoeling. Vervolgens wordt bekeken wat het effect van de toevoeging van water en lucht op deze processen is (en dus op de stikstofwerking). Aan de hand van diezelfde factoren zullen vervolgens in de hypothese mogelijke verklaringen gegeven worden voor het positieve effect van de toevoeging van water en lucht aan de drijfmest op de benutting van de drijfmest door het grasland.

§1.2 Stikstofwerking van drijfmest

De N in drijfmest bestaat uit een organische en een minerale fractie. De totale N-werking van de drijfmest wordt bepaald door de N-werking van de minerale fractie en die van de organische fractie. De N in drijfmest kan worden ingedeeld in drie fracties; de minerale-N, welke gelijk beschikbaar is, organische-N, welke vrijkomt gedurende het eerste jaar en organische-N, welke relatief resistent is tegen afbraak en die daardoor langzaam vrijkomt na het eerste jaar. Minerale-N is meestal 40-50% van de totale N in drijfmest. 
Na het opbrengen van de drijfmest vindt er een transformatie van de stikstof in deze drijfmest plaats. Deze transformatie is visueel gemaakt in figuur 1. Er vinden meerdere transformaties tegelijkertijd plaats. Zo verdwijnt er N in de lucht middels vervluchtiging, er vindt tegelijkertijd vastlegging van stikstof en denitrificatie plaats. Daarnaast is er een uitwisseling van stikstof tussen de grond, het gras en de dieren. Ook vindt er onder invloed van micro-organismen in de bodem mineralisatie en vastlegging van stikstof plaats en onder invloed van een aantal klimatologische factoren vindt er uitspoeling dan wel afspoeling plaats. De omzettingen vinden allemaal plaats onder invloed van datgene wat er in de grond gestopt wordt (input) en wat er uitkomt (output). Bij dit onderzoek hebben wij de input beperkt gehouden tot het opbrengen van drijfmest. De output is beperkt gebleven tot datgene wat is vastgelegd in het gemaaide gras. In dit laatste geval betreft het de stikstofbenutting (de extra opbrengst aan stikstof per hoeveelheid aangewende stikstof = stikstof-terugwinning). Hieronder zullen de genoemde omzettingsprocessen verder uitgewerkt worden en bekeken worden vanuit de werking van de machine.

§1.3 Processen die de stikstofwerking beïnvloeden

Er zijn een aantal processen die de stikstofwerking beïnvloeden. Een positieve invloed op deze werking hebben de processen mineralisatie en nitrificatie en een negatieve invloed op deze werking hebben de processen ammoniakvervluchtiging, denitrificatie en nitraatuitspoeling. Hieronder zullen deze processen allen aan de orde komen.
Klik op de onderstaande foto om naar het schema te kijken van processen die invloed hebben op de stikstofwerking.

§1.3.1 Mineralisatie

De minerale N in drijfmest bestaat meestal uit ammonium; de hoeveelheid nitraat is in de meeste drijfmest verwaarloosbaar klein. Minerale N kan direct door het gewas worden opgenomen. De organische N uit drijfmest komt pas na mineralisatie beschikbaar voor het gewas. Mineralisatie is het proces waarbij micro-organismen in de bodem aanwezige organische verbindingen voor de eigen energievoorziening afbreken. Bij deze afbraak komen de mineralen (stikstof, fosfaat en zwavel) uit het organische materiaal vrij. Een gedeelte van de gemineraliseerde mineralen wordt echter weer gebruikt
voor de opbouw van nieuwe micro-organismen. De stikstof die jaarlijks mineraliseert levert kwantitatief een belangrijke bijdrage aan de bodemoplossing, en is evenredig met de hoeveelheid organisch gebonden stikstof in de bodem. In Nederland wordt de mineralisatie vaak geschat op 2% per jaar van de totale hoeveelheid organisch gebonden stikstof. Deze schatting is globaal omdat de mineralisatie afhangt van een aantal bodemeigenschappen. Hoeveel stikstof er tijdens het groeiseizoen mineraliseert hangt niet alleen af van de hoeveelheid organisch gebonden stikstof, maar ook van de omstandigheden in de bodem. Gunstige omstandigheden in de bodem voor mineralisatie betekenen een hoge mineralisatiesnelheid. De belangrijkste factoren hierbij zijn: de temperatuur, de vochtvoorziening, de zuurstofvoorziening, en het lutumgehalte.
De mineralisatiesnelheid neemt toe naarmate de temperatuur toeneemt, waardoor de N-mineralisatie in de zomer veel sneller verloopt dan in de winter. Verder wordt deze sterk beïnvloed door de C/N-verhouding en de afbreekbaarheid (humificatiecoëfficiënt) van de mest. De periode waarin het gewas de N opneemt, is ook een belangrijke factor die de benutting van N uit de organische meststoffen bepaalt. Alleen de N die tijdens (of vlak voor) deze opnameperiode mineraliseert, kan door het gewas worden opgenomen. Voor de meeste akkerbouwgewassen is de N-mineralisatie, die optreedt in de periode maart tot en met juli, belangrijk. De vocht- en zuurstofvoorziening zijn eveneens belangrijk.
De machine voegt water en zuurstof toe aan de mest. Zowel water en zuurstof zijn zeer belangrijk in het mineralisatieproces. Tijdens het mineralisatieproces vindt omzetting plaats van organische stikstof in de bodem naar anorganische, voor de plant opneembare voedingsstoffen. Zoals reeds hierboven genoemd verloopt dit proces optimaal als er aan een aantal voorwaarden wordt voldaan (temperatuur, zuurstof, water, moment van mestgift e.d.). Twee van de belangrijke minimumvoorwaarden voor mineralisatie worden vervuld door de machine. Hierdoor zal het mineralisatieproces optimaler verlopen, wat de stikstofwerking maar ook de stikstofbenutting ten goede zal komen. Er wordt meer stikstof gemineraliseerd. Alleen minerale stikstof is opneembaar voor de plant. Hoe meer stikstof er dus gemineraliseerd wordt des te beter zal de stikstofbenutting zijn door het gewas.

§1.3.2 Nitrificatie 

Nitrificatie is een mineraal proces waarbij ammonium (NH4+) in twee stappen wordt omgezet tot nitriet en nitraat onder aërobe omstandigheden. Gespecialiseerde bacteriën zijn in staat uit de oxidatie van ammonium energie te winnen voor levensonderhoud (dissimilatie) en groei (assimilatie). De meest bekende en meest belangrijke nitrificerende bacteriën zijn Nitrosomonas en Nitrobacter. De vereenvoudigde dissimilatieprocessen van beide bacteriesoorten zien er als volgt uit:

NH4+ + 1,5 O2 + HCO3- à NO2- + 3 H2O + 2 CO2 + energie (Nitrosomonas)

Nitrosomonas bacteriën zetten ammonium om tot nitriet (NO2-).

NO2- + 0,5 O2 à NO3- + energie (Nitrobacter)

Het gevormde nitriet wordt vervolgens omgezet naar nitraat (NO3-) door Nitrobacter.
Beide bacteriën zijn autotrofe bacteriën wat betekent dat zij, in tegenstelling tot heterotrofe bacteriën, geen organische stoffen gebruiken als koolstofbron voor de synthese van celmateriaal maar CO2. Ammonium respectievelijk nitriet dienen als energiebron voor Nitrosomonas en Nitrobacter. De oxidatie van ammonium tot nitriet door Nitrosomonas is de snelheidsbeperkende stap. De totale oxidatie-(dissimilatie)reactie van ammonium is gelijk aan de som van bovengenoemde reacties:

NH4- + 2 O2 + 2 HCO3- à NO3- + 3 H2O + 2 CO2 + energie (Dissimilatiereactie)

De bovengenoemde dissimilatiereactie levert de energie voor de groei van nitrificerende bacteriën. Het is tevens mogelijk een reactievergelijking af te leiden voor assimilatie (synthese van celmateriaal) door uit te gaan van een experimentele celsamenstelling (C5H7O2N):

55 NH4+ + 76 O2 + 109 HCO3- à C5H7O2N + 54 NO2- + 161 H2O + 104 2 CO2 (Nitrosomonas)

400 NO2- + NH4+ + 195 O2 + H2O + 4 CO2 + HCO3- à C5H7O2N + 400 NO3-

(Nitrobacter) 
Uit de dissimilatie- en assimilatievergelijkingen van Nitrosomonas en Nitrobacter volgt de overall-reactievergelijking voor assimilatie en dissimilatie:

NH4- +1,83 O2 + 1,98 HCO3- à 0,021 C5H7O2N + 0,98 NO3- + 1,88 CO2 + 2,92 H2O
(dissimilatie + assimilatie)

Uit de dissimilatievergelijking volgt dat 4,57 mg zuurstof nodig is voor de oxidatie van 1 mg stikstof. Om het nitrificatieproces in mestvloeistoffen te laten verlopen is echter meer zuurstof nodig. De bacteriën die de organische stof afbreken, de heterotrofen, verbruiken ook zuurstof.
Nitrificatie is een proces dat onder meer afhankelijk is van het hiervoor genoemde proces mineralisatie. Indien dit proces dus goed verloopt zal ook nitrificatie beter plaatsvinden. Nitrificatie vindt immers plaats met het uit mineralisatie afkomstige ammonium. Des te meer ammonium beschikbaar is na de mineralisatie, des te meer er genitrificeerd kan worden tot, het voor de plant zeer goed opneembare nitriet. Dit is weer gunstig voor de opbouw en het onderhoud van de grasplant. Nitraat wordt namelijk gebruikt voor de celbouw van de grasplant. Nitrificatie vindt goed plaats indien er dus voldoende ammonium beschikbaar is. Daarnaast hebben de bacteriën zuurstof en water nodig voor het omzettingsproces. Ook hier vervult de machine dus weer een aantal belangrijke minimumvoorwaarden voor een goede stikstofbenutting door de grasplant. Ook houdt een grotere nitrificatie in dat er meer nitriet beschikbaar komt voor de plant. Nitriet is zeer gemakkelijk opneembaar voor gras. Dit houdt in dat er een snellere opname van stikstof plaatsvindt door het gras en ook dat hierdoor minder binding plaatsvindt van stikstof aan humus.

§1.3.3 Ammoniakvervluchtiging 

Een deel van de minerale N kan verloren gaan via ammoniakvervluchtiging, met name tijdens de eerste dagen na toediening van dierlijke mesten. De grootte van de ammoniakvervluchtiging is afhankelijk van onder andere de soort en samenstelling van de organische meststof, de toedieningstechniek, de weersomstandigheden en de grondsoort. Bij toediening van organische meststoffen in het voorjaar bepaalt de grootte van de ammoniakvervluchtiging in sterke mate de N-werking van de minerale N-fractie van organische meststoffen. Ammoniakvervluchtiging uit de bodem treedt eigenlijk alleen op bij mesttoediening en bij beweiding.
Ammoniakvervluchtiging vindt met name plaats bij droogte. Er vindt dan immers meer verdamping plaats. De machine zorgt ervoor dat er water wordt toegevoegd aan de mest. Hierdoor zal er minder snelle verdamping plaatsvinden en dus minder ammoniakvervluchtiging. Ook vindt ammoniakvervluchtiging sneller plaats bij dikke mest omdat dit moeilijker opneembaar is voor de grond en daardoor langer beschikbaar blijft voor verdamping aan de lucht. Door de verdunning zakt de mest sneller in de grond waardoor tevens minder ammoniakvervluchtiging plaats zal vinden. Hierbij moet wel opgemerkt worden dat de manier van mest aanwenden de ammoniakvervluchtiging al voor het grootste gedeelte voorkomt. Hierdoor zal de extra besparing van vervluchtiging niet van grote betekenis zijn.
§1.3.4 Denitrificatie 
Met denitrificatie worden de minerale omzettingen bedoeld waarbij geoxideerde stikstofverbindingen, zoals nitriet en nitraat, worden gereduceerd (voornamelijk tot stikstofgas):

Organische stof + 2 NO3- à N2 + 2 OH- + CO2 + H2O + energie + biomassa
(sterk vereenvoudigd denitrificatieproces)
Denitrificatie treedt vooral op onder anaërobe omstandigheden en tussen de 0- 75°C (vanaf 10°C begint denitrificatie echt op te treden). Denitrificerende bacteriën zijn heterotroof, zodat beschikbaarheid van een afbreekbare koolstofbron een voorwaarde is. Vele soorten heterotrofe bacteriën zijn tot denitrificatie in staat. Denitrificatie kan alleen plaatsvinden onder anaërobe omstandigheden, ofwel omstandigheden waarbij een andere elektronenacceptor dan zuurstof aanwezig is. Bij het denitrificatieproces is nitriet en/of nitraat de elektronenacceptor. Wanneer zuurstof aanwezig is zullen de denitrificerende bacteriën in plaats van nitraat zuurstof gaan gebruiken voor de afbraak van de organische stof, omdat dit meer energie oplevert.
Denitrificatie kan optreden op verschillende plaatsen in het mestaanwendingssysteem, namelijk: 
- in de mestopslag, bijvoorbeeld bij de toepassing van het spoelvloeistofsysteem. Het bij de beluchting gevormde nitriet en nitraat wordt onder de anaërobe omstandigheden in de mestputten gereduceerd tot N2. 
- In de grond, bij grote hoeveelheden regenval vindt verdichting van het grasland plaats waardoor er anaërobe omstandigheden ontstaan waardoor denitrificatie plaats kan vinden. De bodem is dan tijdelijk verzadigd met water. 
Naast de vorming van het onschadelijke N2, kan denitrificatie ook leiden tot de vorming van tussenproducten zoals: NO, NO2, en het broeikasgas N2O.
Denitrificatie dient onder anaërobe omstandigheden plaats te vinden. De machine voegt juist extra zuurstof toe waardoor het denitrificatie proces geremd wordt. Tevens is er voor denitrificatie organische stof nodig. Voor nitrificatie is juist anorganische stof nodig, wat door mineralisatie gerealiseerd wordt. De machine bevordert door de toevoeging van water en lucht, de mineralisatie en nitrificatie. Dit houdt in dat er meer organische stof omgezet wordt in anorganische stof. Er blijft dus minder organische stof over voor denitrificatie. Dit is gunstig want daardoor blijven de stikstofverliezen in de vorm van stikstofgas e.d. beperkter. Een ander effect van denitrificatie is dat tijdens het denitrificatieproces het zeer schadelijke broeikasgas N2O (lachgas) wordt gevormd. Doordat denitrificatie beperkt wordt door de machine vindt er dus tevens minder productie van dit schadelijke gas plaats.

§1.3.5 Nitraatuitspoeling

Bij toediening van organische meststoffen in het najaar zal een groot deel van de in de mest aanwezige minerale N tijdens de winter verloren gaan via nitraatuitspoeling en denitrificatie. Alleen de minerale N die in het voorjaar nog in het bodemprofiel aanwezig is, kan door het gewas worden opgenomen. De meeste minerale stikstof zit als nitraat in de bodem. Bij een neerslagoverschot kan nitraat uitspoelen en komt dan in het grondwater terecht. Aangezien nitraat de kwaliteit van het grondwater bedreigt, wordt dit als een ongewenst verlies gezien.
Stikstof kan ook afspoelen. Dit gebeurt op gronden die goed gedraineerd zijn. 
Zoals hierboven reeds uitgelegd, zal er door de machine meer nitrificatie plaatsvinden. Dit houdt in dat er meer ammonium omgezet wordt in nitriet en nitraat. Doordat de machine de mest ook nog eens verdunt zal de mest ook sneller de grond inzakken. Dit hoeft echter niet tot een hogere nitraatuitspoeling te lijden. De machine voegt immers ook lucht toe. Deze lucht zal zich in de poriën in de bodem vastzetten waardoor het nitraat niet kan wegzakken richting grondwater. Hierdoor blijft
langer de mogelijkheid aanwezig voor de micro-organismen in de bodem om het nitraat om te zetten in het niet schadelijke stikstofgas middels denitrificatie.

§1.4 Invloed van water- en lucht-toevoeging aan drijfmest

De vocht- en zuurstofvoorziening zijn belangrijk. Zonder vocht kunnen de micro-organismen niet leven. De mineralisatie komt bij vochttekort bijna stil te liggen. Een teveel aan water in de bodem is ook schadelijk voor de mineralisatie. Dit gaat samen met een tekort aan zuurstof, waardoor de mineralisatie vertraagt. De machine zorgt ervoor dat er water en lucht in een juiste verhouding toegevoegd wordt aan de mest. Dit heeft, zoals hierboven beschreven, een gunstige invloed op de processen mineralisatie en nitrificatie. Mineralisatie en nitrificatie zijn beide processen die de stikstofwerking positief beïnvloeden en daardoor een gunstige stikstofbenutting bewerkstelligen. De processen dentrificatie, ammoniakvervluchtiging en nitraatuitspoeling worden geremd door de toevoeging van water en lucht aan de mest. Dit is tevens gunstig want deze processen remmen de stikstofwerking van drijfmest in de bodem en werken daardoor ongunstig op de stikstofbenutting. Door deze processen af te remmen wordt de stikstofbenutting weer verhoogt. Hieronder zal aangegeven worden wat wij, voortkomend uit het theorieonderzoek naar de toevoeging van water en lucht op de stikstofwerking afkomstig uit drijfmest, in de praktijk verwachten van de machine.

§1.5 Hypothese

De toevoeging van 20% water en lucht zal voor het volgende effect zorgen:
mineralisatie zal toenemen (= versnelde afbraak van C)
nitrificatie vindt beter plaats (= versnelde opname van N en snelle celbouw in de plant en minder ontstaan van lachgas, wat geproduceerd wordt tijdens een slecht nitrificatieproces (zuurstoftekort))
minder ammoniakvervluchtiging door verdunning van de mest en doordat de processen beter verlopen waardoor er minder verliezen optreden (= sneller wegzakken in de bodem en minder verdamping doordat de mest natter is)
minder denitrificatie doordat er zuurstof toegevoegd wordt (denitrificatie is een proces dat met name plaatsvindt onder anaerobe omstandigheden) en omdat er minder organische stof overblijft na nitrificatie (= minder stikstofverliezen en minder vorming van lachgas)
gelijkblijvende of verminderde nitraatuitspoeling door opvulling van de poriën in de grond door lucht (= minder grondwatervervuiling)
Al met al wordt in de praktijk verwacht dat de machine leidt tot een betere stikstofwerking en een betere stikstofbenutting door het grasland. Ook verwachten wij een lagere milieubelasting.