Achtergrond¶

Het project OP-PEIL onderzoekt peilgestuurde drainage (CD) als één van de instrumenten meer water te bufferen in het landbouwlandschap. Een van de doelstellingen is om het effect van peilgestuurde drainage op verzilting in de poldercontext te monitoren. In het verleden kwam het zeewater over het land in de huidige polders, wat ten dele verklaart dat het grondwater zout is. Door de aanleg van dijken en een netwerk van grachten, stuwen en pompen werd dit land op de zee gewonnen en drooggelegd om het geschikt te maken voor landbouw. Met de tijd en de regenval ontwikkelde zich een oppervlakkige (enkele meters) dikke zoetwaterlens. Deze zoetwaterlens is essentieel voor gewassen, omdat de meeste klassieke landbouwgewassen stress ondervinden of zelfs sterven onder direct contact met het zoute water. Naarmate de buien intenser worden, heeft de neerslag echter minder tijd om te infiltreren en de zoetwaterlens aan te vullen en wordt de neerslag vaak direct afgevoerd door het bestaande grachten- en drainagesysteem. Bij droogte in de zomer wordt dit probleem accuut, omdat de zoetwaterlens stelselmatig krimpt en het het zoute water gaat opstijgen naar de wortelzone, waardoor de opbrengst in gevaar komt.

Bij peilgestuurde drainage kan een landbouwer de watertafel onder zijn veld dynamische regelen naar gelang van de meteorologische omstandigheden en het geplande veldwerk, door het waterpeil in een controleput bij de moerbuis aan te passen. In de polder helpt peilgestuurde drainage om in de winter meer zoet water in de bodem te laten infiltreren om de zoetwaterlens in stand te houden.

In het kader van dit project werden twee naburige proefvelden in de polders geselecteerd om de effecten van peilgestuurde drainage op het grondwaterpeil en het hydrologisch functioneren van de velden te monitoren. Van april 2021 tot november 2022 werden beide velden conventioneel gedraineerd en gemonitord. Vanaf december 2022 werd een van de velden uitgerust met een controleput, terwijl het andere als referentie dient voor conventionele drainage. Beide velden zijn uitgerust met diverse sensoren om het grondwaterpeil, bodemvocht, bodemtemperatuur en elektrische geleidbaarheid van de bodem op verschillende plaatsen in elk veld te monitoren.

Gezien het hoge niveau van instrumentatie en controle bieden deze velden een unieke gelegenheid om na te gaan of fosfor (P) wordt gemobiliseerd naarmate het grondwaterpeil stijgt, door het meten van het P-gehalte in watermonsters uit de drainagebuizen en in bodemstalen. De proefopstelling en de eerste resultaten worden hieronder beschreven. Het jaar 2022 was echter uitzonderlijk droog en er konden slechts drie watermonsters worden genomen voor het einde van dit project vermits het grondwaterpeil onder de drainagediepte zat gedurende een lange periode. In dit hoofdstuk worden de eerste experimentele gegevens gepresenteerd. ILVO zal de monitoring van de fosforconcentraties in het drainagewater de komende 2 jaar voortzetten in het kader van het VLAIO LA-traject OP-PEIL.

Methodologie¶

Experimentele site¶

De twee experimentele velden, een regelmatige drainage (RD) en een gecontroleerde drainage (CD) liggen in Middelkerke (51° 8' 23.26" N, 2° 48' 51.86" E) en maken deel uit van dezelfde boerderij (figuur 1). Op elk veld werden drie locaties (CD1, CD2, CD3 of RD1, RD2, RD3) uitgerust met drie piëzometers van verschillende lengte (150, 200 en 300 cm onder het oppervlak), een stok met 16 elektroden om de elektrische geleidbaarheid van de bodem te meten, en bodemvocht- en temperatuursensoren. De veldmonitoring omvatte grondwaterniveau- en elektrische geleidbaarheidsmetingen (EC) van het grondwater op deze zes locaties. Handmatige metingen van de piëzometrische stijghoogten werden sinds maart 2022 maandelijks uitgevoerd en automatische duikers (DL-CTD10, Decentlab) werden sinds juli 2022 geïnstalleerd in vier piëzometers (CD1, CD2, RD1 en RD2). In elk veld werden op 28 maart 2022 bodemmonsters genomen om de chemische samenstelling en kenmerken ervan te analyseren.

Uit de boringen voor de piëzometers hebben we op elk meetpunt de bodemprofielen afgeleid (figuur 2). De bodem wordt gekenmerkt door een landbouwhorizont (Ap) van ongeveer 0,45 m die overeenkomt met de ploegdiepte, gevolgd door een geconsolideerde kleilaag (harde klei) die soms een diepte van 3 m kan bereiken, en daaronder een zandige bodemlaag of een veenlaag. De veenlaag kan op sommige plaatsen ongeveer 1 m dik zijn.

In het eerste experimentele jaar (2022) werd wintervlas gezaaid in het gecontroleerde drainageveld (CD), terwijl in het reguliere drainageveld (RD) gras voor zaadproductie (RD1 en RD2) en een combinatie van wintertarwe plus bonen werden geplant (RD3). Eind 2022 bestond de nieuwe teeltcyclus uit wintertarwe in het CD-veld en gras voor RD1 en RD2 en wintervlas voor RD3. De specifieke ploeg-, plant- en oogstdata voor elk gewas en de verwachte oogstdata in 2023 zijn samengevat in Table 1.

Weersomstandigheden en grondwaterstanden¶

Figuur 3 toont de neerslag en het cumulatieve neerslagtekort (neerslag - referentie-evapotranspiratie, P-ET0), en de gemiddelde grondwaterstanddiepten, ten opzichte van het oppervlak, gemeten in de proeflocatie gedurende het jaar 2022 en begin 2023. In figuur 3A geeft de oranje stippellijn de datum aan waarop de bodemmonsters op het veld zijn genomen (28/03/2022) en de zwarte stippellijnen de data waarop de watermonsters uit de drainagebuizen zijn genomen (05/07/2022 en 02/12/2022). In figuur 3B geeft de zwarte stippellijn de datum aan waarop het gecontroleerde drainagesysteem in het CD-veld werd geïnstalleerd, waarbij wordt getracht het waterniveau stabiel te houden tot een niveau van ongeveer 25 cm onder het bodemoppervlak.

Een droge periode deed zich voor in augustus-september 2022 toen het neerslagtekort meer dan 200 mm bedroeg. Het neerslagtekort daalde in de volgende maanden door meer neerslag en lagere temperaturen en bereikte een neerslagoverschot van 100 mm in januari 2023. Dit is te merken aan de ondiepere grondwaterstanden in de velden CD en RD. De grondwaterstand is hoger in het CD-veld, vooral tijdens de drogere maanden. In het algemeen blijft het grondwaterpeil in de winter boven de 100 cm, maar soms wordt het zeer ondiep. Volgens de ruwe metingen bereikte het waterpeil zelfs het maaiveld op 12/01/2023.

Bemonstering en analyse van bodem en water¶

De door het ILVO Eenheid Plant Laboratorium Teelt en Omgeving toegepaste methoden voor monstervoorbereiding en verdere analyse worden hieronder beschreven.

Bodemstalen¶

Op 28/03/2022 werden bodemstalen verzameld uit de bodemlagen 0-30 cm, 30-60 cm en 60-90 cm in beide velden. De stalen werden in plastic zakken gedaan en bij -20 °C bewaard tot ze op 29/08/2022 konden worden geanalyseerd.

Voorbereiding van bodemmonsters

Visuele planten en wortels >2 mm werden uit het vochtige monster verwijderd. De grond werd gedurende ten minste 24 uur gedroogd bij 40 +/-2 °C. Het monster werd vermalen met een kaakbreker (breker op 1,5 mm) en gezeefd op 2 mm. Materiaal dat de zeef niet passeerde, werd handmatig in een mortier fijngemalen en opnieuw op 2 mm gezeefd.

Ammoniumlactaat

Met ammoniumlactaat extraheerbaar fosfor (P), calcium (Ca), magnesium (Mg) en kalium (K) (P-AL, Ca-AL, Mg-AL en K-AL) werden beoordeeld door extractie van de bodem met 0,1 M ammoniumlactaat en 0,4 M azijnzuur bij pH 3,75 (extractieverhouding 1:20) in donkere polyethyleenflessen, geschud gedurende 4 uur en de suspensie werd gefiltreerd in donkere polyethyleenflessen die tot de analyse koel werden bewaard (4 °C). P-AL, Ca-AL, Mg-AL en K-AL werden geanalyseerd met een 5110 VDV Agilent ICP-OES (Agilent, Santa Clara, CA).

Oxalaat - fosfaatverzadigingsgraad (FVG, fosfaatverzadigingsgraad)

Met oxalaat extraheerbaar P, aluminium (Al) en ijzer (Fe) werden beoordeeld door extractie van de bodem met 0,2 M ammoniumoxalaat en 0,14 M oxaalzuur bij pH 3 (extractieverhouding 1:20) in donkere polyethyleenflessen, geschud gedurende 2 uur en de suspensie werd gefiltreerd in donkere polyethyleenflessen die tot de analyse koel werden bewaard (4 C). P, Fe en Al werden geanalyseerd met een 5110 VDV Agilent ICP-OES (Agilent, Santa Clara, CA).

Het FVG, uitgedrukt in %, wordt als volgt berekend op basis van het fosfaatbindend vermogen (FBV, fosfaatbindend vermogen) in mmol P.kg^\-1 luchtdroge grond:

Waterstalen¶

Op 07/05/2022 en 02/12/2022 werden waterstalen uit de afvoerleidingen verzameld in polyethyleenbuizen. Ze werden opgeslagen bij -20 °C totdat ze konden worden geanalyseerd. De totale fosforconcentratie werd gemeten in gefilterde en ongefilterde monsters. De watermonsters werden gefilterd met een papieren filter van 0,45 µm om na te gaan of er wat P aan colloïden vastzat. Beide reeksen monsters (gefilterd en ongefilterd) werden geanalyseerd met een 5110 VDV Agilent ICP-OES (Agilent, Santa Clara, CA).

Resultaten: Fosformetingen¶

Table 2 bevat P-AL, het gemeten fosforgehalte (P) in de bodem dat op lange termijn beschikbaar is voor gewassen (kleiner dan de totale fosforconcentratie in de bodem). De P-AL-gehalten in de bodem waren hoger in de bovenste 30 cm van de bodem. P was bijna 50 mg/100g DS op 0-30 cm diepte in beide velden, en het daalde tot 25 mg/100g DS en 11 mg/100g DS in de CD- en RD-velden, respectievelijk op 30-60 cm diepte. De waarden in de bovenste 30 cm worden als "hoog" aangemerkt volgens (Tits et al., 2020), waarin wordt gespecificeerd dat het streefcijfer tussen 12 en 18 mg/100 g DS moet liggen.

Zoals uiteengezet in punt 3.1 van het hoofdstuk Effect van grondwaterstand op de mobiliteit van nutriënten , heeft P een hoge affiniteit met kleideeltjes, Fe-, Al- en Ca-oxiden. Onder anaërobe omstandigheden wordt een deel van de Fe-oxiden gereduceerd tot oplosbare vormen, waardoor het geadsorbeerde fosfor vrijkomt in de bodemoplossing. De fosfaatverzadigingsgraad (FVG) in tabel 2 is zeer hoog, vooral in de eerste 30 cm van de bodem. Bodems met waarden boven 35 % worden volgens de Vlaamse Mestbank beschouwd als "fosfaatverzadigde bodems" en hebben een risico op P-uitspoeling. Aangezien het grondwater gedurende een grote periode ondieper blijft dan 100 cm, kunnen in grote delen van het bodemprofiel anaërobe omstandigheden ontstaan en kan de P-mobilisatie toenemen. Gezien de hoge P-concentratie en de hoge FVG is er een groot risico van P-mobilisatie en -transport naar het oppervlaktewater wanneer het grondwaterpeil zich dicht bij het bodemoppervlak bevindt. Dit kan verder worden geanalyseerd wanneer meer gegevens beschikbaar zijn, met name bij actieve wateropslag met gecontroleerde drainage.

Table 3 toont het gemeten totaal P, Fe en Al in mg.l^\-1 in drie watermonsters, genomen uit de drainagebuizen van de CD- en RD-velden. De concentratie van P in gefilterde en ongefilterde monsters is bijna gelijk, wat aantoont dat P gehecht aan grotere colloïden ( > 0,45 µm, particulate P) zeer laag is en het meeste P in oplossing (oplosbaar P) en kleinere nanodeeltjes zit. De concentratie van P in het drainagewater is lager in december 2022 dan in mei 2022, mogelijk door een hogere disolutie in aanwezigheid van meer grondwater. Volgens de Vlaamse wetgeving (Vlarem II, bijlage 2.3.1) moet de P-concentratie in het oppervlaktewater lager zijn dan 0,1 mg.l^\-1 (algemene waarde afhankelijk van de fosformeting en het type waterlichaam). In dit geval ligt de P-concentratie soms ver boven de limiet en kan een probleem vormen voor nabijgelegen waterbronnen.

Referenties¶

Tits, M., Elsen, A., Deckers, S., Bries, J., & Vandendriessche, H. (2020). Bodemvruchtbaarheid van de akkerbouw- en weilandpercelen in België en Noordelijk Frankrijk (2016-2019) (p. 235) [Techreport]. Publicatie van de Bodemkundige Dienst van België.