By: T.L. Provin en L.R. Hossner
Efficiënte gewasproductie vereist een adequate voorziening van alle essentiële voedingsstoffen voor planten. Het gebruik van commerciële stikstofmeststoffen (N) om de productie te verhogen, de winsten op peil te houden en tegen lage kosten voedsel en vezels te leveren, is echter een noodzaak van de moderne landbouw. In het algemeen hebben gewassen stikstof nodig in de grootste hoeveelheid van alle plantenvoedingsstoffen.
Het milieu-effect van stikstofmeststoffen is al lange tijd een probleem. Bezorgdheid over de verontreiniging van rivieren, meren en grondwater met stikstof heeft ertoe geleid dat landbouwproducenten zich steeds meer bewust zijn geworden van hun potentiële bijdrage aan het totale verontreinigingsprobleem.
Om stikstof doeltreffend te gebruiken en de schadelijke gevolgen ervan voor het milieu te beperken, moeten producenten zich bewust worden van de chemische samenstelling van stikstof en van de wijze waarop stikstof aan de bodem wordt toegevoegd en daaruit wordt verwijderd.
De door landbouwproducenten gebruikte kunstmest is een belangrijke bron van stikstoftoevoeging aan de bodem. Stikstof wordt voortdurend gerecycleerd via plantaardige en dierlijke afvalresten en organisch materiaal in de bodem. Stikstof wordt uit de bodem verwijderd door gewassen, gasvormig verlies, afspoeling, erosie en uitspoeling. De omvang en het mechanisme die verantwoordelijk zijn voor stikstofverliezen, hangen af van de chemische en fysische eigenschappen van een bepaalde bodem. Figuur 1 is een schematische voorstelling van de mogelijke winsten en verliezen van stikstof in de bodem.
Chemie van stikstof
Stikstof maakt 79 procent uit van de lucht die we inademen. De oppervlakte van 15 cm van een vruchtbare prairiegrond kan 2 tot 3 ton stikstof per hectare bevatten. De lucht boven diezelfde oppervlakte bevat ongeveer 35.000 ton inert stikstofgas (N2). Het grootste deel van de stikstof in de bodem ontstaat als N2-gas en bijna alle stikstof in de atmosfeer is N2-gas. Deze inerte stikstof kan door de plant pas worden gebruikt als hij wordt omgezet in ammonium (NH4 +) of nitraat (NO3 – ).
Drie belangrijke methoden om stikstofgas (N2) om te zetten in ammonium (NH4 +) zijn:
- Vrijlevende N2-fixerende bacteriën
- N2-fixerende bacteriën in knobbels op de wortels van peulgewassen, en
- fabrieken waar stikstofmest wordt geproduceerd.
Een andere belangrijke methode om N2 om te zetten is door bliksem. Bij bliksemflitsen wordt het stikstofgas in oververhitte lucht omgezet in nitraat (NO3 – ) en nitriet (NO2 – ). Blikseminslag kan verantwoordelijk zijn voor 1 tot 50 pond plantbeschikbare stikstof per acre per jaar.
Hoewel stikstof in verschillende chemische vormen in de bodem terechtkomt, wordt het uiteindelijk omgezet in het anorganische nitraation (NO3 – ). Figuur 1 laat zien dat NO3 – door planten kan worden gebruikt, in stikstofgas kan worden omgezet of met het bodemwater naar beneden kan worden afgevoerd.
Commerciële meststoffen, plantenresten, dierlijke mest en rioolwater zijn de meest voorkomende bronnen van stikstofgift in de bodem. De toedieningshoeveelheden lopen sterk uiteen. Voor gewassen zoals bermudagras aan de kust kan de opgebrachte hoeveelheid oplopen tot 150 pond stikstofequivalent per hectare. Dergelijke hoge toedieningshoeveelheden moeten echter worden beperkt tot bodems met een laag erosie- en afspoelingspotentieel.
Stikstof in organisch materiaal (plantenresten, dierlijke mest, rioolwater, organisch materiaal in de bodem) is aanwezig als onderdeel van eiwitten, aminozuren en ander plantaardig en microbieel materiaal. Het komt pas beschikbaar voor planten nadat de verbinding is afgebroken door micro-organismen in de bodem. Dit wordt “mineralisatie” genoemd (Fig. 2). De eerste stap van mineralisatie is “ammonificatie”. Het ammonium (NH4+) dat vrijkomt bij de ammoniakvorming wordt vervolgens door nitrificerende bacteriën in de bodem omgezet in nitraatstikstof (NO3 – -N).”
De plaats van de ammoniak- en nitrificatiereacties in de stikstofkringloop is weergegeven in figuur 1. Het positief geladen ammoniumion (NH4+) dat door ammonificatie wordt geproduceerd of in meststoffen aan de bodem wordt toegevoegd, wordt aangetrokken door negatief geladen kleideeltjes in de bodem. In de meeste niet-aride bodems wordt het NH4+-ion echter snel omgezet in nitraatstikstof (NO3- N). Groeiende planten nemen het grootste deel van hun stikstof op in de vorm van nitraat (NO3- ).
Gemeenschappelijke bronnen van anorganische stikstof zijn ammoniak (NH3), ammonium (NH4 +), amine (NH2 +) en nitraat (NO3 – ). De meeste meststoffen bevatten of vormen NH4 + dat snel wordt omgezet in NO3 – zodra het in de bodem is.
Verwijdering van stikstof uit de bodem
Stikstof wordt via vier belangrijke processen uit de bodem verwijderd:
- opname door planten
- gasvormig verlies
- afspoeling en erosie
- uitloging
De opname door planten verwijst naar de opname van stikstof door de wortels. Katoen, maïs, tomaten en graszoden hebben 60 tot 300 pond stikstof per hectare nodig voor een goede groei en een rendabele opbrengst of voor de gewenste esthetiek. De werkelijke behoefte voor een bepaald gewas varieert naar gelang van het productiepotentieel en wordt sterk beïnvloed door klimatologische factoren.
Omdat de meeste bodems een laag gehalte aan voor planten beschikbare stikstof hebben, wordt de stikstofbehoefte vaak geleverd in de vorm van commerciële stikstofmeststoffen. Stikstofbehoeften boven 150 pond per acre worden meestal verdeeld over twee of meer toepassingen. Alleen de plantaardige stikstof in het geoogste gewas verlaat echter daadwerkelijk het veld. De rest van de plantaardige stikstof gaat terug naar de bodem als plantenresten en komt weer in de kringloop terecht als organische stikstof, zoals geïllustreerd in figuur 1.
Gasvormig verlies van stikstof vindt plaats door denitrificatie of ammoniakvervluchtiging. Denitrificatie is een proces waarbij nitraatstikstof (NO3- -N) wordt omgezet in gasvormig stikstofoxide (N2O) of elementaire stikstof (N2). Dit gebeurt onder invloed van anaërobe bacteriën (bacteriën die geen vrije zuurstof nodig hebben) en komt vaak voor in natte of met water verzadigde bodems.
Omdat dit een anaëroob proces is, zijn de gasvormige verliezen uit een normale (aërobe) bodem gering. Wanneer de bodem echter gedurende lange perioden zeer nat of verzadigd blijft, kan een groot deel van het nitraat verloren gaan.
Ammoniakgas kan ontstaan uit stikstofverbindingen zoals ureum aan het oppervlak van een bodem. Ureum is aanwezig in dierlijke mest en kan in zuivere vorm als meststof (45-0-0) worden aangekocht.
Er is aangetoond dat andere ammoniumhoudende meststoffen, waaronder ammoniumsulfaat (21-0-0) en in mindere mate ammoniumnitraat (33-0-0) en ammoniumfosfaat, in aanwezigheid van calciumcarbonaat vrije ammoniak produceren. Deze toestand bestaat in sommige bodems met een hoge pH (pH>7,3).
Afspoeling en erosieverliezen kunnen nitraat (NO3 – ), ammonium (NH4 +) en organische stikstof omvatten. Het negatief geladen NO3 – ion blijft in het bodemwater en wordt niet door bodemdeeltjes vastgehouden. Als water met opgelost NO3 – of NH4 + van het oppervlak afloopt, bewegen deze ionen mee. Wanneer stikstofmeststoffen echter op droge bodems worden opgebracht en er regen- of irrigatiewater wordt gebruikt, lost het eerste water de meststof op en voert het de bodem in. Regenval veroorzaakt over het algemeen geen oppervlakteverliezen van kunstmeststikstof, tenzij er kort na het opbrengen zeer veel regen valt.
Ammonium dat door kleideeltjes wordt vastgehouden, kan door bodemerosie in oppervlaktewatervoorraden worden gebracht. In feite verplaatst bodemerosie meer stikstof dan regenval bij de verplaatsing van opgeloste stikstofverbindingen doet. Wanneer geërodeerde bodems in rivieren en meren worden afgezet, worden stikstofverbindingen door microbiële activiteit langzaam omgezet in oplosbare vormen.
Bij uitlogingsverliezen verplaatst water zich door een bodem onder de wortelzone naar beneden. Dit verlies doet zich het vaakst voor bij nitraat (NO3 – ) in gebieden met veel neerslag, bij overmatige irrigatie en bij bodems met een grove structuur (zandgronden). Verlies van stikstof door uitspoeling vermindert de hoeveelheid stikstof die beschikbaar is voor gewassen en kan mogelijk ondiepe waterputten en watervoerende lagen verontreinigen.
De gebruikte hoeveelheden stikstof en het tijdstip van toediening moeten worden gerelateerd aan de bodemgesteldheid en de gewasvereisten om verlies door uitspoeling te minimaliseren. Uit tal van onderzoeken blijkt dat door de opname door planten weinig nitraatstikstof (NO3 – -N) uitspoelt uit bodems waarop een gewas actief groeit. Aangezien de zandgronden die het meest onderhevig zijn aan uitspoeling, zich in Oost-Texas bevinden, waar gras het overheersende gewas is, worden in het algemeen minimale uitspoelingsverliezen van stikstof verwacht bij bemesting met stikstof in het hele land.
Hoewel studies beperkte problemen met nitraat (NO3 – ) bewegingen hebben aangetoond, kunnen onjuiste toepassingen van commerciële en organische stikstofmeststoffen resulteren in NO3 – afspoeling naar oppervlaktewateren en uitspoeling naar grondwater.
Voorkomen van stikstofverlies
De beste manier om verliezen van stikstof van landbouwgronden te voorkomen is door goede bodem- en waterbeheerpraktijken. De eerste stap bij het verminderen van mogelijke stikstofverliezen is het laten testen van de bodem. Een op de juiste wijze genomen bodemmonster geeft een schatting van de hoeveelheid nitraatstikstof (NO3 – -N) die in de bodem aanwezig is, en kan worden gebruikt als richtsnoer voor het opbrengen van de juiste hoeveelheid stikstofmeststof voor het geteelde gewas.
De juiste bemesting en beheersing van oppervlakte-afspoeling en erosie zijn de beste methoden om te voorkomen dat stikstof in beken en meren terechtkomt. Uitspoelingsverliezen kunnen worden voorkomen door de stikstofbehoefte te verdelen over verschillende toepassingen op bodems met een grove structuur en veel neerslag.
Download een printervriendelijke versie van deze publicatie: Wat gebeurt er met stikstof in de bodem?
Heeft u een vraag of wilt u contact opnemen met een deskundige?
Contact Your County Office