Na het zuur geen zoet?

In Nederland zijn veel natuurterreinen in het droog zandlandschap aangetast door verzuring en vermesting als gevolg van atmosferische depositie van stikstof- (N) en voorheen zwavelverbindingen (S), met negatieve gevolgen voor de biodiversiteit, zie ook Siebel & Bobbink (dit nummer). Bij stijgende toevoer van N via depositie neemt de N-beschikbaarheid en daarmee de groei van planten in de veelal nutriëntenarme systemen zoals heide geleidelijk toe. Ook de soortensamenstelling verandert doordat concurrentiekrachtige planten gaan overheersen ten koste van laag bij de grond groei- ende soorten. Vergrassing en verbraming zijn – of deels waren – dan ook schering en inslag in veel heide- en bosgebieden. Ook zijn de bossen op droge zandgronden vaak verzadigd geraakt met stikstof, wat heeft geleid tot verhoogde uitspoeling van nitraat naar het grondwater. Voor een gedetailleerd overzicht van de complexe effecten van N-depositie op natuur wordt verder verwezen naar Bobbink et al. (2014). Naast de vermestende effecten van N-depositie speelt de voortschrijdende bodemverzuring een doorslaggevende rol bij de achteruitgang van planten en dieren in het droog zandlandschap.

Bodembuffering en -verzuring

Er is een aantal mechanismen waarmee in bodems de toevoer van verzurende stoffen gebufferd en/of geneutraliseerd wordt. Deze buffering is afhankelijk van het uitgangsmateriaal (het type bodem) en de aanwezigheid van toestromend grondwater. In het droog zandlandschap is het laatste niet van belang, en aangezien de droge binnenlandse zandgronden geen kalk bevatten, zijn de volgende buffermechanismen bepalend voor het verloop van verzuring.

Allereerst is dat de kationenuitwisseling door het bodemadsorptiecomplex. Dit complex bestaat uit kleimineralen en/of organische bestanddelen die aan de buitenkant negatief geladen zijn, waardoor basische kationen (Ca²⁺, Mg²⁺, K⁺ & Na⁺) aan dit complex geadsorbeerd zijn. Wanneer er extra zuur (H⁺) in de bodem komt, dan kunnen de H⁺-ionen de kationen van het complex ver- dringen waardoor ze vervolgens in de bodemoplossing terechtkomen. Omdat de H⁺-ionen dan zelf aan het complex geadsorbeerd zijn en niet meer in oplossing, verandert de pH niet (=buffering). Kationenuitwisseling is een snellopend bufferproces, maar de capaciteit is tamelijk beperkt. De term ‘basenverzadiging’ wordt gebruikt om aan te geven hoeveel procent van het adsorptiecomplex van de bodem bezet is met basische kationen.

Een reactie die op de achtergrond verloopt is de neutralisatie van zuur door de verwering van silicaatmineralen. Primaire silicaatmineralen worden afgebroken waarbij zich bij een pH groter dan 4,5 kleimineralen vormen (zie kader). Dit proces wordt sterk versneld door extra toe- voer van zuur. Door de lage verweringssnelheid draagt dit mechanisme normaliter maar in geringe mate bij aan de actuele buffering in de bodem, maar het is essentieel voor het “opladen” van het adsorptiecomplex met basische kationen en dus voor het herstel van buffercapaciteit via kationuitwisseling. Onder een pH van 4,5 vindt dit proces van vorming van secundaire kleimineralen (met Al) niet meer plaats maar wordt vrij Al³⁺ gevormd. Net als H⁺ kan ook Al³⁺ gebonden worden aan het bodemcomplex, maar dit proces kan de toename in Al³⁺ in de bodemoplossing niet verhinderen. Dit Al³⁺ is toxisch voor veel planten- en diersoorten. Bij zeer lage pH-waarden (<3,0) gaan ijzerverbindingen een dominerende rol spelen bij de bodembuffering en kan er (zeer) veel Fe³⁺ – toxisch voor veel planten – in oplossing komen (Bobbink et al., 2014).

De minerale motor van de bodem
 
Vrijwel alle kationen in de bodem komen oorspronkelijk vrij door verwering, een proces waarbij mineralen reageren met zuur. Een voorbeeld hiervan is de verwering van kaliveldspaat tot het secundaire kleimineraal kaolien, kiezelzuur en kaliumionen:
2 KAlSi₃O₈ + 9 H₂O + 2 H⁺ → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4 H₄SiO₄ + 2 K⁺
Dit is ook het basale proces dat de zuurgraad in de bodem stabiel houdt in wisselwerking met het kationuitwisselingscomplex (de aan de humus en klei geadsorbeerde kationen). Verwering is een relatief langzaam proces. Het houdt geen gelijke tred met het vrijkomen van basische kationen van het complex als het aanbod van zuur te hoog is. En dan verzuurt de bodem dus. Bij sterke verzuring kan het bij verwering vrijgekomen aluminium geen nieuwe kleimineralen vormen en wordt het als Al³⁺ gebonden aan het kationuitwisselingscomplex.
 
Mineralen zoals kaliveldspaat, albiet en muscoviet zijn de belangrijkste verweerbare mineralen met basische kationen (K, Ca, Mg en Na) in de Nederlandse zandbodem. Het zeer resistente kwarts (SiO₂) bevat geen van deze elementen, maar maakt wel 80-90% van de Nederlandse minerale zandbodem uit. Dit laat al zien waarom zandbodems gevoelig tot zeer gevoelig zijn voor verzuring.
Verwering is een proces dat van nature optreedt door koolzuur dat geproduceerd wordt in de bodem. Door de (zeer) hoge verzurende depositie van de afgelopen eeuw is de verwering ernstig versneld en dit heeft in korte tijd geleid tot een drastische afname van het aan mineralen gerelateerde vermogen om basische kationen te leveren voor kationenuitwisseling (Bergsma et al., 2016). Voor veel bodems in het droog zandlandschap betekent dit dat onder de huidige N-depositie geen herstel mogelijk is zonder aanvulling van mineralen met basische kationen.