In de afgelopen blogs over verbeterde voedselproductie heb ik naar allerlei factoren gekeken die van belang zijn voor de bodemvruchtbaarheid. De samenstelling van de bodem bepaalt hoe deze functioneert. Een bodem die meer zandiger is, houdt water minder goed vast dan een kleibodem. Een bodem met een hoger organische stofgehalte houdt meer vocht vast. Minder bodemvocht betekent minder wormen in de bodem. De verhouding koolstof-nitraat bepaalt mede hoe dit organisch stofgehalte zich ontwikkelt. Dit keer wil ik naar de pH, oftewel de zuurheid, van de bodem kijken.
De pH varieert tussen 0 en 14, waarbij 0 tot 7 zuur is, 7 neutraal en 7 tot 14 basisch of alkaline is.
De pH varieert tussen 0 en 14, waarbij 0 tot 7 zuur is, 7 neutraal en 7 tot 14 basisch of alkaline is.
Wereldwijde variatie van de pH van de bodem
Er zijn heel veel factoren die de pH van de bodem bepalen. Echter, als je kijkt naar een wereldkaart van de pH van de bodem en je vergelijkt deze met een wereldkaart van de mate van droogte (hyper-aride, aride, semi-aride en droog-sub humide), zie je dat de blauwe gebieden en de gele gebieden daarnaast grofweg overeenkomt met deze 4 klassen.
 |
| Bron: https://en.wikipedia.org/wiki/File:World_Soil_pH.svg Rood: zuur; Blauw: Alkaline; Geel: neutraal; Zwart: geen data |
 |
| Bron: http://www.greenfacts.org/en/desertification/figtableboxes/appendix-a.htm |
Dit laat zien dat er een sterk verband is tussen de pH van de bodem en het verschil tussen jaarlijkse neerslag en de potentiele jaarlijkse verdamping (met uitzondering van Australie, waar een deel van de bodem nog relatief zuur is). Over het algemeen geldt dus: hoe groter het neerslagoverschot, hoe zuurder; hoe droger hoe meer alkaline.
De reden dat een hoger neerslag overschot leidt tot een lagere pH komt onder andere doordat in neerslag CO2 opgelost is. Als de CO2 oplost in water, wordt een deel hiervan H2CO3, wat een zuur is en de pH dus daalt.
Hoe meer neerslag er is, hoe meer vegetatie groeit. De vegetatie groeit en sterft, groeit en sterft etc. Het afgestorven organisch materiaal verteert, waarbij CO2 wordt gevormd, wat voornamelijk de bodem als gas verlaat, maar ook gedeeltelijk in de bodem blijft en kan oplossen in het bodemvocht, waar het bijdraagt aan de zuurheid van de bodem.
Tegelijkertijd kunnen er in bodems 2 belangrijke verbindingen aanwezig zijn die de pH kunnen bufferen, die dus voorkomen dat de pH van de bodem te snel uit de bocht vliegt, die dus een stabiliserende werking kunnen hebben op de pH van de bodem: CaCO3, die een bufferende werking heeft voor een pH van 8,2; en Al(OH)3, die de pH buffert op een gemiddelde pH van 5,1.
Onderstaande grafiek laat dit overzicht goed zien. Op basis van een wereldwijde dataset van 20.000 bodemmonsters is de jaarlijkse gemiddelde neerslag (MAT = Mean Annual Precipitation) - potentiele verdamping (PET = Potential EvapoTranspiration) uitgezet tegen de pH. Te zien is dat gebieden met een groter neerslagoverschot ook gemiddeld genomen een zuurdere bodem hebben, terwijl de drogere gebieden een meer alkaline bodem hebben. Tegelijkertijd zitten er twee pieken in ter hoogte van de bufferende werking van de CaCO3 (pH van 8,2) en Al(OH)3 (pH van 5,1).
De reden dat een hoger neerslag overschot leidt tot een lagere pH komt onder andere doordat in neerslag CO2 opgelost is. Als de CO2 oplost in water, wordt een deel hiervan H2CO3, wat een zuur is en de pH dus daalt.
Hoe meer neerslag er is, hoe meer vegetatie groeit. De vegetatie groeit en sterft, groeit en sterft etc. Het afgestorven organisch materiaal verteert, waarbij CO2 wordt gevormd, wat voornamelijk de bodem als gas verlaat, maar ook gedeeltelijk in de bodem blijft en kan oplossen in het bodemvocht, waar het bijdraagt aan de zuurheid van de bodem.
Tegelijkertijd kunnen er in bodems 2 belangrijke verbindingen aanwezig zijn die de pH kunnen bufferen, die dus voorkomen dat de pH van de bodem te snel uit de bocht vliegt, die dus een stabiliserende werking kunnen hebben op de pH van de bodem: CaCO3, die een bufferende werking heeft voor een pH van 8,2; en Al(OH)3, die de pH buffert op een gemiddelde pH van 5,1.
Onderstaande grafiek laat dit overzicht goed zien. Op basis van een wereldwijde dataset van 20.000 bodemmonsters is de jaarlijkse gemiddelde neerslag (MAT = Mean Annual Precipitation) - potentiele verdamping (PET = Potential EvapoTranspiration) uitgezet tegen de pH. Te zien is dat gebieden met een groter neerslagoverschot ook gemiddeld genomen een zuurdere bodem hebben, terwijl de drogere gebieden een meer alkaline bodem hebben. Tegelijkertijd zitten er twee pieken in ter hoogte van de bufferende werking van de CaCO3 (pH van 8,2) en Al(OH)3 (pH van 5,1).
 |
| Bron: https://www.researchgate.net/publication/310628365_Water_balance_creates_a_threshold_in_soil_pH_at_the_global_scale |
De geologie en het vormingsmilieu van de bodem dragen ook bij aan de zuurheid van de bodem:
- pyriet (FeS2) kan voorkomen in sedimentaire bodems en in bepaalde veensoorten. Als dit in aanraking komt met zuurstof, oxideert het waarbij uiteindelijk zwavelzuur (H2SO4) wordt gevormd, wat een zeer sterk zuur is. Indien kunstmatig gesublimeerde zwavel aan de bodem wordt toegevoegd, treedt dezelfde reactie op en verzuurt de bodem.
- Kwarts rijke zandstenen (na veldspaten komen deze het meest voor in de aardkorst) zijn vaak wat zuurder, er kan zich namelijk H4SiO4 vormen, wat een zuur is.
- Verder bepalen de zuurheid en de beschikbaarheid van siliciumzuur samen hoe verschillende veldspaten afbreken (ongeveer 41% van de aardkorst zijn veldspaten). Hoe zuurder de bodem (dus hoe meer H+), hoe meer mineralen worden uitgespoeld (Na+, Ca2+ en K+), en deze mineralen door H+ worden vervangen (zie onderstaande figuur). Aluminium is lastiger uit te spoelen, omdat aluminium 3+ geladen is, en daardoor veel sterker wordt gebonden dan de rest (uitwisselvolgorde is van moeilijk naar makkelijk: Al3+; H+; Ca2+; Mg2+; K+ ≈ NH4+; Na+). Hoe ouder de bodem is, hoe langer deze processen hebben plaatsgevonden. Hele oude bodems bevatten daarom vaak ook alleen nog aluminium en hebben een lage bodemvruchtbaarheid (zie ook hier voor meer info).
- pyriet (FeS2) kan voorkomen in sedimentaire bodems en in bepaalde veensoorten. Als dit in aanraking komt met zuurstof, oxideert het waarbij uiteindelijk zwavelzuur (H2SO4) wordt gevormd, wat een zeer sterk zuur is. Indien kunstmatig gesublimeerde zwavel aan de bodem wordt toegevoegd, treedt dezelfde reactie op en verzuurt de bodem.
- Kwarts rijke zandstenen (na veldspaten komen deze het meest voor in de aardkorst) zijn vaak wat zuurder, er kan zich namelijk H4SiO4 vormen, wat een zuur is.
- Verder bepalen de zuurheid en de beschikbaarheid van siliciumzuur samen hoe verschillende veldspaten afbreken (ongeveer 41% van de aardkorst zijn veldspaten). Hoe zuurder de bodem (dus hoe meer H+), hoe meer mineralen worden uitgespoeld (Na+, Ca2+ en K+), en deze mineralen door H+ worden vervangen (zie onderstaande figuur). Aluminium is lastiger uit te spoelen, omdat aluminium 3+ geladen is, en daardoor veel sterker wordt gebonden dan de rest (uitwisselvolgorde is van moeilijk naar makkelijk: Al3+; H+; Ca2+; Mg2+; K+ ≈ NH4+; Na+). Hoe ouder de bodem is, hoe langer deze processen hebben plaatsgevonden. Hele oude bodems bevatten daarom vaak ook alleen nog aluminium en hebben een lage bodemvruchtbaarheid (zie ook hier voor meer info).
 |
| Bron: http://hydrogeologistswithoutborders.org/wordpress/wp-content/uploads/Figure_7.14.svg; Stabiliteitsrelaties voor de mineralen gibbsiet, kaoliniet, montmorilloniet, muscoviet, en veldspaten (albiet, anorthiet en microklien) bij 25°C en 1 bar. (a) Gibbsiet, Al2O3 · H2O; kaoliniet, Al2Si2O5(OH4); Na-montmorilloniet, Na0.33Al2.33Si3.67O10(CH)2; en albiet, NaAlSi3O8. (b) Gibbsiet; kaoliniet; Ca-montmorilloniet; en anorthiet, CaAl2Si2O8. (c) Gibbsiet, kaoliniet, muscoviet KAl2(AlSi3O10)(FOH)2 of (KF)2(AlO3)3(SiO2)6(H2O), en microklien, KAlSi2O8 (zie ook de publicatie van Tardy, 1971). |
- Planten zijn enigszins alkaline,
waardoor er bij plantengroei meer alkaline moleculen dan zure moleculen worden opgenomen. Door de planten te oogsten en van het land te halen, wordt deze onbalans in stand gehouden en wordt de bodem na elke oogst iets zuurder.
- Ammonium (NH4) is vanuit kunstmest een belangrijke verzuurder van de bodem: Afhankelijk van de pH en de hoeveelheid organische koolstof kan NH4 vanuit de kunstmest namelijk worden omgezet naar nitraat (NO3), waarbij H+ vrijkomt en dus bijdraagt aan de verzuring van de bodem. Bemesting met nitraat daarentegen kan de bodem meer alkaline maken.
- Binnen de landbouw wordt kalk aan de bodem toegevoegd voor structuurverbetering. Gips (CaSO4) is een licht zuur, kalk (CaCO3) is basisch en fungeert als een buffer in de bodem (zie hierboven).
- pH verhogende maatregelen kunnen vooral worden genomen door carbonaat verbindingen (CaCO3, Na2CO3, NaHCO3). Deze carbonaten nemen, als ze oplossen een H+ op van water, waardoor een OH- ontstaat. Bodems ontstaan vanuit kalkstenen zijn daarom alkaline.
- Bodems die gevormd zijn als marine kleien met veel natrium en veldspaten kunnen ook vrij alkaline zijn.
- Ammonium (NH4) is vanuit kunstmest een belangrijke verzuurder van de bodem: Afhankelijk van de pH en de hoeveelheid organische koolstof kan NH4 vanuit de kunstmest namelijk worden omgezet naar nitraat (NO3), waarbij H+ vrijkomt en dus bijdraagt aan de verzuring van de bodem. Bemesting met nitraat daarentegen kan de bodem meer alkaline maken.
- Binnen de landbouw wordt kalk aan de bodem toegevoegd voor structuurverbetering. Gips (CaSO4) is een licht zuur, kalk (CaCO3) is basisch en fungeert als een buffer in de bodem (zie hierboven).
- pH verhogende maatregelen kunnen vooral worden genomen door carbonaat verbindingen (CaCO3, Na2CO3, NaHCO3). Deze carbonaten nemen, als ze oplossen een H+ op van water, waardoor een OH- ontstaat. Bodems ontstaan vanuit kalkstenen zijn daarom alkaline.
- Bodems die gevormd zijn als marine kleien met veel natrium en veldspaten kunnen ook vrij alkaline zijn.
Beschikbaarheid van stoffen afhankelijk van pH
Onderstaand schema laat de chemische beschikbaarheid van stoffen zien bij een varierende zuurgraad in de bodem. Al deze stoffen zijn van belang voor plantengroei. De optimale pH voor deze beschikbaarheid is tussen 6,2 en 7,3 (het groene vak). Hierbij komen deze stoffen beschikbaar voor de wortels zonder tussenkomst van bodemleven. Als er echter uitgebreide schimmelnetwerken in de bodem aanwezig zijn, die in symbiose met de plant leven, kan de beschikbaarheid van deze stoffen bij varierende pH totaal anders zijn, omdat de schimmels over eigen mechanismen beschikken om deze stoffen beschikbaar te maken en naar de plantenwortels te brengen (zie bijvoorbeeld dit artikel). |
| Bron: http://snohomishcd.org/blog/2015/9/16/fall-is-a-great-time-to-lime |
Plantengroei in relatie tot pH
De bodem bepaalt wat er boven de grond kan groeien. Als er wat gaat groeien, stimuleren deze planten op haar beurt weer het ondergrondse bodemleven. Zoals ik hiervoor al heb laten zien is de pH van de bodem hierbij van groot belang. Elaine Ingham heeft heel waardevol onderzoek gedaan naar het verband tussen pH, schimmels, bacterien en plantengroei. Haar onderzoek laat het volgende zien:In de meer alkaline bodems (pH boven de 7) zijn bacterien dominant en doen 1-jarigen het goed. In zure bodems zijn schimmels dominanter en doen juist de bomen het goed (zie ook dit artikel voor een achtergrond onderzoek naar schimmel en bacteriegroei bij verschillende pH's)
In alkaline bodems is stikstof beschikbaar in de vorm van het negatief geladen nitraat. In zure bodems is stikstof beschikbaar in de vorm van het positief geladen ammonium.
De natuur heeft als uitgangspunt dat de bodem bedekt moet zijn, om de bodemvruchtbaarheid te verbeteren en leven mogelijk te maken/houden. Hiervoor heeft de natuur pionierssoorten ontwikkeld. Deze soorten zien wij echter vaak als onkruiden, omdat onze landbouw de bodem onbedekt houdt. Deze pioniersoorten leven in bacterierijke bodems / bodems met relatief weinig bodemleven. Door ploegen worden de schimmelnetwerken steeds opnieuw doorgesneden, waardoor de bacterien overblijven.
 |
| Bron: https://scontent-amt2-1.xx.fbcdn.net/v/t1.0-9/44961999_2194406190846727_3065938017425293312_n.png?_nc_cat=103&_nc_ht=scontent-amt2-1.xx&oh=1c9163a898f6ee42bccdd77be055666a&oe=5C3CFF57 |
Als het systeem zich natuurlijk kan ontwikkelen, vindt er successie plaats, waarbij de meerjarigen het overnemen en het systeem op den duur kan verhouten. Hierbij neemt de pH van de bodem af (de bodem wordt zuurder), en neemt het aantal schimmels toe. Ook het aantal bacterien groeit nog steeds, maar in de verhouding bacterien-schimmels worden de schimmels steeds dominanter.
|
| Bron: Elaine Ingham; https://vimeo.com/250723320 |
 |
| Bron: Elaine ingham; https://vimeo.com/250723320 |
Landbouw die alleen 1-jarige gewassen verbouwd, maakt dat successie niet kan plaatsvinden. Het ploegen maakt ook dat schimmelnetwerken die eventueel worden gevormd, elk jaar opnieuw worden verbroken. Bij landbouw waarbij niet wordt geploegd, kunnen schimmelnetwerken wel worden gevormd.
De pH bepaalt dus gedeeltelijk de bodem, maar veel meer bepalen andere factoren de pH!
Hoe dat samenhangt in de bodem, wordt mooi uitgelegd in onderstaande video.
- https://en.wikipedia.org/wiki/File:World_Soil_pH.svg
- http://www.greenfacts.org/en/desertification/figtableboxes/appendix-a.htm
- http://hydrogeologistswithoutborders.org/wordpress/wp-content/uploads/Figure_7.14.svg
- https://www.nature.com/articles/srep40093.pdf
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2655475/
- https://www.researchgate.net/publication/310628365_Water_balance_creates_a_threshold_in_soil_pH_at_the_global_scale
- http://snohomishcd.org/blog/2015/9/16/fall-is-a-great-time-to-lime
- https://www.soilfoodweb.com/
- https://vimeo.com/250723320
Conclusie
De pH is een belangrijke factor voor plantengroei. De zuurheid van de bodem hangt in sterke mate samen met de grootte van het neerslagoverschot en de vegetatiegroei. Hoe groter het neerslagoverschot hoe zuurder de bodem. Ook geldt, hoe meer vegetatie er groeit hoe zuurder de bodem. Verder geldt dat de zuurheid, de vegetatie en het bodemleven met elkaar samen hangen. Hoe sterker een systeem verhout, hoe zuurder de bodem wordt, maar ook hoe dominanter de schimmels worden in de bodem ten opzichte van de bacterien.De pH bepaalt dus gedeeltelijk de bodem, maar veel meer bepalen andere factoren de pH!
Hoe dat samenhangt in de bodem, wordt mooi uitgelegd in onderstaande video.
Bronnen:
- https://www.agric.wa.gov.au/soil-acidity/causes-soil-acidity?page=0%2C1- https://en.wikipedia.org/wiki/File:World_Soil_pH.svg
- http://www.greenfacts.org/en/desertification/figtableboxes/appendix-a.htm
- http://hydrogeologistswithoutborders.org/wordpress/wp-content/uploads/Figure_7.14.svg
- https://www.nature.com/articles/srep40093.pdf
- https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2655475/
- https://www.researchgate.net/publication/310628365_Water_balance_creates_a_threshold_in_soil_pH_at_the_global_scale
- http://snohomishcd.org/blog/2015/9/16/fall-is-a-great-time-to-lime
- https://www.soilfoodweb.com/
- https://vimeo.com/250723320
1 opmerking:
Ferme artikels! dank je voor de info!
Een reactie posten