ľ¹Ï¸£ÀûÓ°ÊÓ

Volgens een nieuwe studie verlopen biogeochemische processen in wereldwijde binnenwateren die stikstof in sedimenten afbreken, omzetten of begraven, drie tot zes keer sneller dan 110 jaar geleden. Dit kan worden toegeschreven aan een warmer klimaat, de bouw van dammen en het toegenomen gebruik van kunstmest in de 20e eeuw. Deze resultaten maken het mogelijk om het effect van milieubeleid op de afname van stikstof nauwkeuriger te beoordelen. De studie werd vorige maand gepubliceerd in Nature Water.

Stikstof is een essentiële voedingsstof voor organismen en heeft in de prehistorie de biomassa en productie beperkt. Biologisch beschikbare (ook wel gefixeerde of reactieve) stikstof is echter toegenomen door tal van oorzaken, waaronder de verbranding van fossiele brandstoffen, de teelt van gewassen die biologische stikstof bevorderen en kunstmestproductie en stikstoffixatie op industriële schaal (het beroemde Haber-Bosch-proces). Deze verhoogde productie van gefixeerde stikstof heeft geleid tot een ophoping van stikstof in de aardse compartimenten omdat verliesprocessen (denitrificatie, Anammox, sedimentbegraving) de productie niet bij kon houden. Het grootste deel van de overtollige stikstof verplaatst zich stroomafwaarts, d.w.z. langs het aquatische continuüm van bodem en vegetatie naar binnenwateren (grondwater, beken, rivieren, meren en reservoirs) en uiteindelijk naar zee.

Tijdens deze overdracht van de bodem naar de zee zijn reactieve stikstofmoleculen betrokken bij meerdere processen en beïnvloeden ze niet alleen het functioneren van de ontvangende wateren, maar ook hun stroomafwaartse ecosystemen. Dit betekent dat stroomopwaarts bodemvoedingsstoffenbeheer gevolgen kan hebben voor het voorkomen, de ruimtelijke omvang en de frequentie van schadelijke algenbloei of hypoxie in kustsystemen.

Een eerste generatie model voor de stikstofstroom van bodem naar zee

De stikstofcascade heeft een stroom van onderzoek aangewakkerd om de wereldwijde stikstofbudgetten voor binnenwateren te kwantificeren met behulp van een breed scala aan benaderingen. Ongeveer 10 jaar geleden ontwikkelde dezelfde onderzoeksgroep IMAGE-GNM (Integrated Model to Assess the Global Environment-Global Nutrient Model; ) dat ruimtelijk en in de tijd gegevens verschafte over de aanvoer, retentie en export van stikstof en fosfor op wereldschaal, terwijl grondwater, beken, rivieren, meren en reservoirs werden opgelost. Uit deze studies bleek dat de aanvoer van stikstof en fosfor naar binnenwateren was toegenomen en dat de export van stikstof en fosfor ook was toegenomen, maar minder dan verwacht vanwege de toegenomen retentie in binnenwateren. Een recente toepassing gepubliceerd in Nature Sustainability () beschreef een sterke invloed van grondwaterstikstof op de waterkwaliteit stroomafwaarts. Hoewel dit model van de eerste generatie nauwkeurig de mondiale rivierfluxen van totale stikstof kwantificeert, gaat het niet in op vorm van stikstof (ammonium, nitraat, organische stikstof) en gebruikt het een simpele benadering voor de verwijdering van voedingsstoffen in plaats van de betrokken biologische processen (primaire productie, ademhaling, denitrificatie, nitrificatie) op te lossen.

Een nieuwe generatie stikstofmodel voor binnenwateren

Dit artikel presenteert veranderingen in het totale stikstofbudget voor binnenwateren op basis van simulatie met het IMAGE-Dynamic Global Nutrient Model, dat niet alleen stikstoftransformatieprocessen (nitrificatie, denitrificatie, assimilatie, regeneratie) oplost, maar ook interacties tussen sediment en water en interacties met andere biogeochemische cycli zoals die van zuurstof. Het model werd niet alleen gevalideerd met beschikbare concentratie- en afvoergegevens, maar ook met processnelheden. Simulaties met dit model van de volgende generatie bevestigden niet alleen dat de stikstoftoevoer naar en -uitvoer van binnenwateren naar de oceaan toenam ondanks de toenemende retentie, maar toonden ook aan dat de stikstofcyclus intensiever werd. Terwijl de stikstoftoevoer met een factor 2,5 toenam, namen de organische stikstofmineralisatie, nitrificatie en denitrificatie tussen 1900 en 2010 met respectievelijk 3, 4 en 6 keer toe. Een belangrijk gevolg van deze versnelde stikstofrecycling is de gestaag toenemende productie en uitstoot van lachgas, een klimaatactief gas ().

De nitraatcyclus in binnenwateren is versneld

Het wereldwijde nitraatbudget voor binnenwateren toont duidelijk de versnelde omzettingen van stikstof. Deze actieve recycling van stikstof impliceert dat het misschien nodig is om de binnenwateren te beschouwen als een lekke pijp die een deel van de stikstof transporteert en vasthoudt. De aanvoer van nitraat naar de binnenwateren en de uitvoer van nitraat naar de oceaan zijn momenteel vergelijkbaar. Met Occams scheermes zou je kunnen concluderen dat binnenwateren fungeren als een passieve pijp die nitraat van de bodem naar de zee transporteert. Men moet zich echter realiseren dat er ongeveer 2,5 keer meer nitraat wordt geproduceerd in binnenwateren (53 Tg N jr-1) dan er wordt geleverd en geëxporteerd. Bovendien verwijdert denitrificatie elk jaar 16 Tg N jr-1 en wordt nog eens 36 Tg N jr-1 geassimileerd door primaire producenten, waarvan een fractie uiteindelijk begraven wordt. Daarom moeten modelbenaderingen die nitraatverwijdering of lachgasproductie afstemmen op de externe nitraatgift worden herzien. Meer in het algemeen toonde deze studie aan dat de aanvoer en uitvoer van stikstof totaal of specifieke stikstofsoorten geen eenvoudige relatie volgen vanwege de nauwe verbanden tussen organische stikstof, ammonium en nitraat onderling en met andere verstoorde biogeochemische cycli in binnenwateren.