Gemiddelde mest verliezen naar de bodem veel te hoog

Er gaat te veel mest verloren

Gemiddeld gaat er 34% van de mestgift verloren, maar als we daar wat aan willen doen, moeten we de causale oorzaak kennen.

In procenten van de mestgift

Het is niet handig om bij sterk niet-lineaire systemen, zomaar van allerlei zaken het gemiddelde te nemen. Om onderlinge orde groottes af te kunnen schatten heb ik een aantal waarden uit de stikstof en fosfor balans, in de tabel omgerekend, naar procenten van de mestgift.

Gemiddeld 34% van de mestgift

De ecologen van de WUR en de onderzoekers van het PBL publiceren samen de bovenstaande balans voor de mest verliezen naar de bodem. Er missen nogal wat dingen in de figuur. Om te beginnen moeten de mest verliezen naar de bodem opgedeeld worden naar twee causale oorzaken die beschreven worden door:

• Het assimilatie predicaat dat cruciaal is voor het ontwerp van schadevrije winvelden, zonder droogte schade en nat schade te veroorzaken.
  Dit predicaat kan uitsluitend voldaan worden door de drinkwatersector.

• De bemesting voorwaarde
  Deze voorwaarde kan uitsluitend voldaan worden door de agrariërs.

De assimilatie curve is specifiek voor de opbouw van de eerste 2m van bodem in verband met de adhesie van het water aan de structuur van de bodem, en ook voor het gewas g dat geteeld wordt, met parameters g.{ll, l, h, hh}.

Ik speek steeds over het gewas, omdat de groei van gewassen en de bemesting per hectare goed reproduceerbare waarden aannemen. In natuurgebieden geldt dit ook, maar in dat geval moeten we rekening houden met de productie van mest (zoals NO2^- en NO3^-) door bodembacteriën in de onverzadigde zone, uit bodemlucht (N2 en O2) en met de fracties van de gewassen per hectare, maar ook met de onderlinge verschillen tussen de wortellengtes.

Het is lastig om de mest verliezen naar de bodem voor iedere causale oorzaak in landbouw en natuurgebieden apart te meten. Desondanks willen we dat de EU norm voor de stikstof concentratie in de bodem voldaan wordt.

De groei van gewassen is maximaal in het interval van volledige assimilatie en gewasverdamping. In dat geval wordt het assimilatie predicaat voldaan. Bovendien moet de bemesting voorwaarde voldaan worden. In dat geval weten we dat de mest verliezen naar de bodem minimaal zijn. Voor de volledigheid eisen we ook dat de depositie voorwaarde voldaan wordt. Omdat er wordt gesproken over een stikstofcrisis eisen we voor de realisatie van het assimilatie doel dat:

Bewijs assimilatie doel

   (assimilatie predicaat &
     overbemesting voorwaarde &

     depositie voorwaarde )



Voldaan zal worden.

Als we iets voldoen dan is de implicatie vergelijkbaar met de situatie die bereikt wordt, na het afrekenen na een aankoop. Voldaan is logisch bijna net hetzelfde als het begrip waar bekend van het vakgebied van de Boolse logica, vernoemd naar de wiskundige Bool. Het enige verschil is dat er nog sprake is van een taakstelling, die met een monitoring programma afgedekt moet worden.

Als we naar de figuur kijken zien we aan de beschreven verlagingen van de grondwaterspiegel, dat de verlagingen van de veelgebruikte winvelden de realisatie van het assimilatie predicaat onmogelijk maakt. Er is immers sprake van een winningsverlaging van 0.2m en een transportverlaging van 2m...4m. Dat is natuurlijk iets dat flink tegenvalt. Gelukkig kan er veel meer met een hydrologie horizontaal als we nauwkeurig werken.

De verlaging van een winveld is voor een hydrologie horizontaal, de oneigenlijke som van de winningsverlaging, groot 0.2m en de (optionele) transportverlaging.

Hier staat, weliswaar impliciet, dat er winvelden bestaan zonder transport verlaging, maar het is in verband met het schaal effect dat optreedt in dunne watervoerende lagen wel zaak om ze ook te kunnen realiseren.

G.W. Bloemen was, binnen de onderzoeksgroep van prof. L.F. Ernst, in 1973 zijn tijd ver vooruit, met zeer interessante metingen en berekeningen verricht aan de puntwinning 't Klooster, te Hengelo (Gld.), voor een hydrologie horizontaal. Hij sprak indertijd van de waterbalansanalyse, omdat hij enerzijds rekening wilde houden met de balans tussen de neerslag N(t) A als de bron van de winbare neerslag, en het debiet Q(t). Om een winveld op maat te kunnen maken, verdeel ik de neerslag in 3 gelijke delen: {winbaar, assimilatie, kwel}.

Hij had de winningsverlaging zeer nauwkeurig bepaald op: 0.18m, maar niet in de getoonde grafieken van stationaire verlagingen (I) en (II) die veronderstellen dat de gehele gemiddelde neerslag buiten het teeltseizoen valt. De consequentie dat de stationaire verlaging de oneigenlijke som is van de winningsverlaging en de (optionele) transportverlaging is nu 50 jaar later, nog onvoldoende bekend. Door een 3D representatie van beide verlagingen (I) en (II), en de kenmerkende eigenschappen van een grootschalig winveld vast te leggen, komen we gauw tot de conclusie dat er een schaal parameter ρ moet bestaan met als eigenschap dat de weerstand voor een stationaire verticale doorstroming van de watervoerende laag gelijk is aan de weerstand voor een stationaire horizontale doorstroming.

Als we het winveld in a) met areaal A en effectieve winningsstraal R, schalen naar winveldjes met effectieve winningsstraal ρ dan zal er in b) geen transport van te winnen grondwater meer zijn, slechts de snelheid van de grondwateraanwas zal in A afnemen.

Het zal blijken dat dunne watervoerende lagen zich gedragen als halfgeleiders, met als consequentie dat de Laplace voorwaarden, die inhouden dat de  systeemeigenschappen: lineair, plaats (x,y) en tijd (t) invariant, en stabiel is niet geldig zijn, ze zijn slechts bij benadering geldig op de kleine schaal (ρ). Op zo'n kleine schaal kun je met de operatoren (+, -, *, δ) differentiaal vergelijkingen opstellen en via de integraalrekening oplossen met een relatief kleine fout. Maar op een grote schaal, is ook de schaal parameter ρ en de (<) operator van de betreffende watervoerende laag, van groot belang. De implicatie daarvan is dat grootschalige winvelden vanuit een geheel andere optiek ontworpen moeten worden, maar ook dat er als in b) schadevrije winvelden bestaan zonder transportverlaging die via hun winningsverlaging een globale verlaging van slechts 0.2m kunnen realiseren, als beschreven in het hoofdstok hydrologie horizontaal.

Samen met W.C. Visser, wilde hij al in 1973 weten hoe de te vergoeden schade ontstond, om methoden te kunnen ontwikkelen, om de schade van grootschalige drinkwaterwinningen, met de bijbehorende mest verliezen naar de bodem, tegen te kunnen gaan. We zijn nu meer van 50 jaar verder, maar dit specifieke schaalprobleem wordt, net als het probleem van de achtergrondverlaging, waarvoor Bloemen een waarde van 0.18m had gevonden, wordt nog steeds niet goed begrepen, ondanks het feit dat prof. J.J. de Vries tijdens een van de vele vergaderingen over de achtergrondverlaging heeft gewezen op het schaal effect.

Verstoord

In de atmosfeer speelt CO2 een belangrijke rol bij de stijging van de temperatuur van de aarde. Op de lagere school hebben we allemaal al geleerd dat planten, c.q. gewassen, waaronder ook bossen, koolzuurgas: CO2, opnemen en zuurstof: O2, produceren, maar dat proces wordt al sinds het midden van de vorige eeuw, ernstig verstoord als gevolg van zeer grote mest verliezen naar de bodem, die intussen, toegenomen zijn tot gemiddeld 34% en 95% in een bijzonder geval. De mens en de dieren implementeren het omgekeerde proces, zij nemen O2 op en produceren CO2. 

In de afgelopen decennia was er veel weerstand tegen CO2 opslag in de bodem. De grote mest verliezen naar de bodem, die zijn ontstaan door de verlaging van de grondwaterspiegel, hebben ervoor gezorgd dat de omzetting van het koolzuurgas CO2 naar zuurstof O2 door de gewassen, gemiddeld met 34% ofwel ~¹/3 is afgenomen.

Dat is idioot veel, maar in Johannesburg, waar de laatste druppel uit de kraan kwam was de afname van de omzetting van CO2 naar O2 nog véél groter. De vele natuurbranden zijn ook niet ontstaan op plaatsen met hoge grondwaterstanden. Kennelijk hebben we geen goed referentie kader waardoor we massaal verkeerde beslissingen nemen. De introductie van de brekende schade, heeft als effect dat er geen enkel uitzicht meer is op de realisatie van het natuurdoel en de klimaatdoelstelling. Gelukkig kunnen al deze problemen, wel opgelost worden door schadevrije winvelden te gaan gebruiken, zoals ik in detail zal aantonen in de hoofdstukken over de hydrologie.

Haast geboden

Daardoor werd het duidelijk dat er haast geboden is om met passend onderzoek, dat ik in dit webportaal presenteer, een invulling te geven aan innovatieve winvelden voor de winning van grondwater.

We kunnen zo niet verder

De actiegroepen, waaronder ¹Greenpeace, Extinction rebellion, e.a. hebben groot gelijk als ze stellen dat we zo niet verder door kunnen gaan met onze planeet.

Maar het heeft weinig nut om actie te voeren als nog niemand het volledige overzicht heeft over het op te lossen probleem: het natuurdoel en de klimaat doelstellingen, waarvan we willen bewijzen dat ze hersteld zullen worden. Daar komt bij dat de kans groot is dat elk onderzoek faalt dat is gebaseerd op (²nieuwe) verdienmodellen, want in dat geval zullen de onderzoekers primair hun verdienmodel willen exploiteren.

Het onderscheid dat gemaakt moet worden bij het beperken van de mest verliezen naar de bodem is heel eenvoudig. Je wilt niet dat er mest verliezen ontstaan doordat het gewas g, de mest niet volledig op kan nemen.

Dit aspect van het probleem wordt beschreven door het assimilatie predicaat.

De software die ing. J.J. Bouwmans, van de Alterra groep onder leiding van prof. R.A. Feddes, heeft geschreven gaat uit van de Gemiddeld {Hoogste, Laagste, Voorjaar} Grondwaterstand. Deze waarden worden afgekort als {GHG, GLG, GVG} en kunnen met een grondboor bepaald worden. Daarbij hoort ook nog een bodemprofiel, dat wordt gekarakteriseerd door de gegevens over de korrelgrootte van de bodemlagen en het bergend vermogen voor bodemvocht dat zich via adhesie hecht aan de korrels. Het bodem profiel, is samen met de lengte van de wortels van het gewas g bepalend voor de vorm van de assimilatie curve, die afhangt van het bodemprofiel en ook van de gewasspecifieke parameters

g.{hh, h, l, ll}

Gelukkig kennen diverse gewassen veel overeenkomsten tussen hun stofwisseling zoals blijkt uit fig. 1. Omdat de groei sterk afhangt van de fotosynthese en de gewasverdamping, is er ook een grote overeenkomst  tussen de assimilatie curve voor vele gewassen. Om die reden is de vorm van de assimilatie curve geschetst in (fig 2.) karakteristiek, afgezien van wat aanpassingen, voor alle gewassen.

Met behulp van meteorologische gegevens van de KNMI weerstations wordt het verwachte verloop van de grondwaterstand (fig. 3.) geschat, met als doel om de werkelijke schade zo goed mogelijk te kunnen schatten. Elke 10 dagen wordt met behulp van de schade functie en de hoogte van de grondwaterspiegel hmv, het mest verlies naar de bodem bepaald, om daarmee ook het schade percentage te kunnen bepalen. Dit wordt later herleid tot een specifiek perceel om de compensatie vergoeding per perceel te kunnen bepalen.

Daarbij doet het niet ter zake of het om een landbouwgebied gaat of om een natuurgebied. De lengte van het wortelgestel is echter wel belangrijk voor de werkelijke schade.

Bij de bepaling van de berekende schade verhoogt de drinkwatersector, alle GxG waarden, dus de gemeten waarde van de grondwaterspiegel, met de achtergrondverlaging. Dit komt er op neer dat de grondwaterspiegel h(x,y,t) verhoogd wordt met de constante achtergrondverlaging=c die een waarde heeft die gelijk is aan de winningsverlaging, als beschreven in de Introductie. Het programma van ing. J.J.M. Bouwmans berekent de werkelijke schade voor de GxG waarden die de grondwaterspiegel h(x,y,t) beschrijven.

De schade wordt voor g.l < hmv <= g.ll beschreven door de rechte lijn tussen {g.l, 0%} en {g.ll, 100%} derhalve is de schade functie:

S(hmv+c)=(g.l-(hmv+c))/(g.l-g.ll)

Voor c=0 is dit de werkelijke schade, de berekende schade wordt gecorrigeerd met een percentage p ~ c/(g.l-g.ll). De schade kan niet negatief worden daarom geldt: Sberekend = max (0, Swerkelijk - p).

Voor realistische waarden geldt: p ~ 0.20 / 0.25 ⇒ 80%.

Als de gemeten hoogte van de grondwaterspiegel op de hoogte van het maaiveld ligt, ligt hmv+c boven het maaiveld. De schade functie S accepteert zulke gegevens niet.

Daarbij doet het niet ter zake of het om een landbouwgebied gaat of om een natuurgebied. De lengte van het wortelgestel van het gewas g, is echter wel belangrijk voor de werkelijke schade. Deze komt tot uitdrukking in de gewasspecifieke parameters:

g.{hh, h, l, ll}.

Het andere deel wordt beschreven door de overbemesting voorwaarde. Gedetailleerde landbouwvoorschriften, moeten er samen met gunstige groei omstandigheden, voor zorgen dat beide stellingen voldaan worden. Merk op dat het schade percentage dat de groep van prof. R.A. Feddes bepaalt, uitsluitend betrekking heeft op schade die volgens art. 7.18 waterwet verschuldigd is. Dat komt omdat prof. R.A. Feddes software gebruikt die de groei van de gewassen berekent op basis van een verwachte meteorologie.

De drinkwatersector, meet via het landelijk meetnet grondwaterkwaliteit, de som van de mest verliezen naar de bodem veroorzaakt door het predicaat, dat de afhankelijkheid beschrijft van de hoogte van de grondwaterspiegel, die de drinkwatersector moet voldoen, plus de mest verliezen die zouden kunnen ontstaan door overbemesting, bij de verwachte meteorologie omstandigheden, en voor het overige door de agrariërs voldaan moeten worden. De streefwaarde van 50mg/l beschrijft een residu dat via samenwerking tussen de drinkwatersector en de agrariërs voldaan moet worden. Bij elke doelstelling hoort een marge die beschrijft wat haalbaar is als beide partijen samenwerken om het doel te halen. Ik werk deze zaken nader uit bij de bespreking van het volledige overzicht.

1. Anonymus: Greenpeace dreigt overheid met rechtsgang om stikstofbeleid, NOS nieuws
2. De milieudoelstellingen van de overheid sturen de landbouw een meer extensieve weg op, één die het inkomen van boeren potentieel onder druk zet. Dat vraagt om nieuwe en aangepaste activiteiten, zogenaamde verdienmodellen, om het dreigende inkomensverlies op te vangen.

Toelichting: De