In onze contreien komen onder natuurlijke/normale omstandigheden - als er geen sprake zou zijn van menselijke beïnvloeding - nutriënten slechts in hele lage concentraties voor in grondwater. Het Vlaamse (en bij uitbreiding nagenoeg het hele West-Europese) landschap is echter sterk door menselijke activiteiten beïnvloed. Dat leidt tot tal van negatieve effecten waaronder de (soms massale) aanwezigheid van nutriënten in bodem en grondwater. Eenvoudig gesteld komt het (negatieve) effect van nutriënten op de vegetatie in natuurgebieden neer op productiestijging. De vegetatie wordt productiever, er wordt meer biomassa geproduceerd waardoor minder competitieve, doorgaans kleinere en frèlere plantensoorten in de verdrukking komen, het niet meer overleven in de dichte vegetatie van soorten die beter overweg kunnen met overmatig beschikbare voedingsstoffen. Klassiek worden stikstof-, fosfor- en kaliumverbindingen als nutriënten gezien. In landbouw worden die drie steeds samen genoemd als zgn. NPK-meststoffen.
De grote piek van deze verontreiniging ligt wellicht achter ons, maar de nutriëntensamenstelling van het grondwater is op de meeste plaatsen nog steeds onnatuurlijk hoog.
Nutriënten dienen in bepaalde verhoudingen aanwezig te zijn in bodem of grondwater om een (negatieve) impact te hebben op de vegetatieontwikkeling van vochtige natuurgebieden. Om het extreem te stellen: als er enkel nitraat aanwezig is en geen fosfaat of kalium, dan gebeurt er nagenoeg niets met de droge stofproductie van de vegetatie. Als er alleen verhoogde fosfaatconcentraties zijn en geen stikstof of kalium gebeurt er evenmin iets. Als er én verhoogde stikstof- én verhoogde fosfaatconcentraties optreden, dan is er plots wel een verhoging in productie. De interactie tussen nutriënten in grondwater en bij welke verhoudingen van verschillende nutriënten er welke effecten optreden is echter nog onvoldoende gekend, behalve dan dat het met zekerheid geweten is dat die belangrijk zijn.
Kennis van normale en abnormale concentraties van de individuele verschijningsvormen van nutriënten in het grondwater zijn daarom nodig. Om dat goed te begrijpen zijn noties van de herkomst van nutriënten en van de verschillende veranderingen die ze tijdens de lange weg van grondwater in de ondergrond kunnen ondergaan, belangrijk. Die processen spelen zich niet alleen af in het grondwater maar ook (en in erg belangrijke mate zelfs) in samenspel met de bodem (helemaal op het einde van de reis van het grondwater, net voor het uittreden onder de vorm van kwel dus). De hele nutriëntenhuishouding is een bijzonder complex biochemisch verhaal waarin heel veel afhangt van chemische evenwichten, zuurtegraad, redoxtoestanden, beschikbaarheid van organisch materiaal, aanwezigheid van ijzer, … In wat volgt wordt een zeer beknopte (en dus onvolledige) opsomming gegeven van de belangrijkste processen, oorzaken en gevolgen. Het laatste is hierrond zeker nog niet bekend. De laatste decennia wordt hier veel onderzoek rond gedaan, wat leidt tot steeds meer kennis en een op het eerste zicht wirwar aan processen en verbanden.
De onderstaande grenswaarden zijn trouwens indicaties en geen normen, ze staan dus los van drinkbaarheid of andere Vlarem-normen.
Nutriënten op basis van stikstof
In grondwater worden hoofdzakelijk drie verschijningsvormen gevonden, ammonium, nitraat en nitriet. Uiteraard zijn er nog andere verschijningsvormen, maar die zijn zonder uitzondering van minder acuut belang.
Ammonium (NH +) is van nature relatief weinig aanwezig in grondwater. Het is een positief ion en zit grotendeels gebonden op de bodembestanddelen, die in regel negatief geladen zijn via het zgn. klei-humuscomplex.
Er is een uitwisseling tussen de op de bodem gebonden ammonium en het ammonium in oplossing in bodemvocht. Als een natuurgebied erg nat is, is bodemvocht hetzelfde als grondwater. De ammonium zit dan in het grondwater. Een normale (niet aangerijkte) concentratie bedraagt ~ 0,5 mg NH4+-N/l).
Nitraat (NO -) komt van nature nauwelijks tot niet voor in grondwater in onze streken. Onder natuurlijke omstandigheden (dus niet negatief door de mens beïnvloed) zou de concentratie van NO --N niet hoger dan 0.3 mg N/l bedragen (Bobbink et al 2013). Ammonium kan, in vochtige tot droge omstandigheden (dus in natuurgebieden waar het grondwaterpeil ten minste een deel van het jaar een paar tientallen centimeter onder maaiveld zakt) omgezet naar nitraat (NO -). Dat proces wordt nitrificatie genoemd (Reactie 1).
Reactie 1: 2 NH + + 3 O ↔ 2 NO - + 4 H+ + 2 H2O
In gebieden waarin de grondwatertafel schommelt (dat zijn de overgrote meerderheid van onze natte gebieden) treedt nitrificatie op maar ook (en dikwijls snel daaropvolgend) denitrificatie waarbij nitraat verder omgezet wordt naar stikstofgas (N2) of als lachgas (N2O) die ontsnappen naar de atmosfeer. Nitraat is negatief geladen en bindt bijgevolg niet aan de (negatief geladen) bodem. Het is met andere woorden erg mobiel. Het spoelt uit en stroomt mee met het grondwater. In aanwezigheid van pyriet (dat is een ijzer-zwavel (FeS2)-houdend mineraal dat in nagenoeg elke watervoerende laag in Vlaanderen van nature in enorme hoeveelheden aanwezig is) wordt het in zure omstandigheden afgebroken en ontstaat er sulfaat en stikstofgas (Elberling et al 1994, Lucassen 2004).
Reactie 2: 14 NO - + 5 FeS + 4 H+ ↔ 10 SO 2- + 5 Fe2+ + 7 N ↗ + 2 H O
Nitriet (NO2) komt van nature helemaal niet voor, wat in de praktijk van chemische analysen betekent dat de concentratie van nitriet lager moet zijn dan de bepaalbaarheidsgrens van de analyseapparatuur (op het INBO is dat 0.01 mg N/l). Als nitriet vastgesteld wordt, dan moet dat te maken hebben met de directe instroom van huishoudelijk of dierlijke mest waar het wel in voorkomt. Nitriet is echter chemisch reactief waardoor het, afhankelijk van de omstandigheden vrij snel wordt omgezet naar nitraat, ammonium of stikstofgas. Meten van verhoogde nitrietconcentraties in grondwater betekent dus een actieve bron van vervuiling in of in de directe omgeving van het gebied in kwestie.
Nutriënten op basis van fosfor
De enige wateroplosbare verschijningsvorm van fosfaten in grondwater doet zich voor onder de vorm van zgn. orthofosfaat. In ongestoorde omstandigheden komt dat niet of nauwelijks voor, wat in de praktijk betekent dat de waarde om de bepaalbaarheidsgrens van de analyseapparatuur schommelt (op het INBO is dat 0.015 mg orthofosfaat-P/l).
Nutriënten op basis van kalium
Als er over plantenvoedingsstoffen gesproken wordt, dan worden stikstof, fosfor en kalium doorgaans in één adem genoemd. In de ecohydrologie wordt er nauwelijks aandacht besteed aan kalium, omdat er in onze contreien vooralsnog geen gevallen bekend zijn van kaliumlimitatie of overschotten. Kalium (K+) draagt een positieve lading en bindt vlot op de (negatief geladen) bodem. Hoge concentraties in grondwater zijn het gevolg van hoge verzadiging van het bodemcomplex met kalium. Wat hier de probleemgrens is, is niet bekend.
Hoe zit het met sulfaat?
Er is sinds een paar decennia steeds sprake van sulfaat als het over nutriënten in het grondwater gaat. Hoewel sulfaat niet beschouwd kan worden als een nutriënt, speelt het toch een erg belangrijke onrechtstreekse rol in de nutriëntenbeschikbaarheid in natte natuurgebieden. Sulfaat (SO42-) komt in onze streken van nature voor in grondwater maar in beperkte concentraties. Het is negatief geladen en bindt dus niet aan de bodem. Het spoelt gemakkelijk uit met grondwater en wordt over grote afstanden met dat grondwater getransporteerd om zo in kwelgebieden aan de oppervlakte te komen. Omwille van de verregaande industrialisatie de voorbije eeuw, zijn die concentraties spectaculair gestegen tot soms meerdere honderden mg SO42-/l.
Pre-industriële concentraties in West-Europa worden geschat (want dat werd toen nog niet bemeten) op ca. 15 mg/l. Overal in onze contreien zijn deze concentraties gedurende de vele voorbije decennia opgelopen tot meer dan het 10 à 15-voudige als gevolg van zwavel- en stikstofdepositie en overbemesting (zie o.a. Van Beek et al. 2004; Broers & Peet 2003). De laatste jaren is er duidelijk verbetering opgetreden als gevolg van de vele beleidsmaatregelen tegen zure (zwavel)depositie, overbemesting e.a.
Toch zijn er nog steeds (en soms sterk) verhoogde sulfaatconcentraties te meten in het grondwater. Dat is dan het gevolg van afbraak van nitraat in infiltrerend grondwater (Reactie 2). Die nitraat is afkomstig van overbemesting van landbouwbouwgronden in het infiltratiegebied en in mindere mate ook door invang van droge en natte atmosferische depositie via bossen. Naaldbossen hebben een belangrijkere invang dan loofbossen omwille van de hogere leaf area index (LAI = oppervlakte van de bladoppervlakte/grondoppervlakte), vnl. in het winterhalfjaar.
Eenmaal dat sulfaat in het grondwater, infiltreert het verder en komt in het kwelgebied terug aan de oppervlakte. Daar heeft het een negatief effect op de nutriëntenbeschikbaarheid en wel op twee manieren: In bodems van kalkarme systemen (i.e. Vlaamse zandstreek en Kempen) zit het grootste deel van de fosfaten gebonden aan ijzer en aluminium in de ondergrond. Aanvoer van sulfaat via grondwater zorgt voor verdringing van de gebonden fosfaten en dus vrijstelling van plantbeschikbare fosfaten in het systeem (Lucassen 2004). Dit proces wordt “interne eutrofiëring” genoemd. In bodems die rijk zijn aan organisch materiaal (zoals in de meeste natte natuurgebieden in Vlaanderen) zal aanvoer van sulfaat via grondwater zorgen voor versnelde mineralisatie van het organisch materiaal, zeker in zuurdere omstandigheden (zie Reactie 2). Alle mineralen en nutriënten die opgeslagen zitten in dat organisch materiaal, worden vrijgezet en zorgen voor een bijkomende beschikbaarheid van nutriënten. Bovendien wordt er bij dit proces een pH- en bicarbonaatverhoging gerealiseerd. Dit proces wordt interne alkalinisering genoemd (Smolders 1995). Daardoor wordt de afbraak van organisch materiaal via micro-organismen gestimuleerd waardoor het mineralisatieproces beter verloopt en dus de vrijstelling van nutriënten nog groter wordt. Verhoogde sulfaatconcentraties zijn bijna altijd terug te voeren op instroom van nitraat in het infiltratiegebied en zijn dus een betrouwbare aanwijzing voor een nitraatproblematiek in het grondwatersysteem van het betrokken natuurgebied
