De stikstofcyclus

Inleiding  

Europese ecosystemen worden bedreigd door vele oorzaken. Het betreft onder andere veranderingen in het gebruik van land, de samenstelling van de atmosfeer en het klimaat. Deze door de mens veroorzaakte verstoringen leiden tot grote veranderingen in de kringloop van water en voedingsstoffen. Wereldwijd gezien is de atmosferische stikstof kringloop daarvan één van de meest uit zijn evenwicht gebrachte: geschat wordt dat deze voor meer dan 80% is verstoord, terwijl – ter vergelijking – de koolstof kringloop voor niet meer dan 10% is verstoord. Intensievere landbouw en de verbranding van fossiele brandstoffen verhogen de hoeveelheden reactieve stikstof. Deze hebben, als ze vrijkomen, een sneeuwbaleffect op de menselijke gezondheid en op ecosystemen. Zo leiden agrarische activiteiten tot de emissie van ammoniak (NH3), lachgas (N2O) en stikstofmonoxide (NO) in de atmosfeer, en tot het belasten van grond- en oppervlaktewater met nitraat (NO3-) en ammonium (NH4+). Verbranding van fossiele brandstoffen door vaste bronnen (zoals huishoudens en industrieën) en mobiele bronnen (zoals wegverkeer, luchtvaart, scheepvaart) is een algemeen bekende oorzaak van de emissie van NO en stikstofdioxide (NO2), die samen worden aangeduid als “stikstofoxiden” (NOx). Apparatuur voor reductie van de emissies van NOx, bijvoorbeeld katalysatoren in auto’s, veroorzaakt emissies van kleine maar niet verwaarloosbare hoeveelheden NH3 en N2O.  

De voornaamste drijvende krachten voor verandering van het Europese stikstof budget zijn:

• de vastlegging van stikstof voor en door de landbouw, die leidt tot het vrijkomen van NH3, N2O, NO en NO3-;
• de import van voedingsstoffen uit andere werelddelen via voedingsconcentraten en voedsel;
• verbrandingsprocessen bij hoge temperatuur, waarbij een klein deel van de atmosferische stikstof wordt geoxideerd tot NOx.

De aanwezigheid van een overmaat stikstof in deze reactieve vormen leidt tot een reeks zeer uiteenlopende problemen:

• NO en NO2 reageren met vluchtige organische verbindingen (VOS) waarbij op grondniveau de concentraties ozon (O3) worden verhoogd. Dit heeft zijn weerslag op oogsten, natuurlijke begroeiing en de menselijke gezondheid. De verhoogde troposferische ozonconcentratie draagt ook fors bij aan het broeikaseffect.
• NH3 reageert met gasvormige zuren – met inbegrip van HNO3 afkomstig van NOx emissies – tot een fijn verdeeld aerosol (“fijn stof”) zoals ammoniumnitraat (NH4NO3) en ammoniumsulfaat (NH4HSO4 en (NH4)2SO4). Deze worden over grote afstanden in de atmosfeer getransporteerd, waardoor reactieve stikstof vele duizenden km van de bron kan neerslaan.
• Aerosolen bevorderen de verstrooiing van licht. Dit vermindert het zicht en heeft een directe negatieve invloed (omgekeerd aan het broeikaseffect) op de wereldwijde stralingsbalans. Bovendien fungeren aerosolen als condensatiekernen waardoor wolken worden gevormd, zodat de stralingsbalans ook indirect wordt beïnvloed.
• Stikstofhoudende aerosolen kunnen worden ingeademd. Mogelijk is er een verband met hart- en vaatziekten en ademhalingsziekten.
• Het neerslaan van geoxideerde (NOy) en gereduceerde (NHx) stikstof leidt tot de vermesting van voedselarme ecosystemen in het water en op het land waardoor de biodiversiteit wordt aangetast. In het bijzonder de instroom van NHx kan plaatselijk bijzonder hoog zijn waardoor kwetsbare habititats geheel verloren kunnen gaan. Termen NHx en NOy zijn niet geïntroduceerd Het neerslaan van NOy en NHx in ecosystemen op het land kan verzuring van de bodem tot gevolg hebben, gevolgd door veranderingen in de leefgemeenschappen en vermindering van de waterkwaliteit. Op EU niveau is de bijdrage van stikstof aan verzuring nu groter dan die van zwavel.
• Afwatering en uitspoeling van stikstof afkomstig van landbouw leiden tot verhoogde NO3- concentraties in grond- en oppervlaktewater, die leiden tot potentiële gezondheidsrisico’s van drinkwater en veranderingen in zoetwater-ecosystemen.
• Overmatige uistroom van stikstof uit rivieren en het neerslaan van stikstof uit de atmosfeer in kustwateren leiden tot de vermesting van gebieden in zee, wat een verhoogde kans op algenbloei en zuurstoftekort tot gevolg heeft. Atmosferische depositie is ook afgezien daarvan een belangrijke bron van stikstof in zee-ecosystemen.
• N2O is een krachtig broeikasgas, dat ~ 12% bijdraagt aan de potentiële bijdrage van de mens aan de opwarming van de aarde. Het speelt ook een rol in de chemie van de stratosfeer waarbij op grote hoogte O3 wordt vernietigd. De toevoeging van stikstof vanuit de atmosfeer beïnvloedt ook de uitwisseling van CO2 en CH4 tussen ecosystemen en de atmosfeer.

Als ze zijn vrijgekomen in het milieu, kunnen stikstofverbindingen een lawine aan effecten veroorzaken voordat ze uiteindelijk worden omgezet in neutrale stikstof (N2) of vastgelegd in bodems en sedimenten. De stikstof sneeuwbal (zie figuur) kan worden toegelicht met het pad dat reactieve stikstof volgt nadat die is toegepast als meststof op landbouwgronden of nadat die is vrijgekomen bij de verbranding van fossiele brandstoffen. Ten eerste komt een aanzienlijk deel vrij in de atmosfeer als NH3, NO, N2O of NO2. Ten tweede wordt een deel uitgespoeld naar grond- en oppervlaktewater als NO3-. Ten derde wordt een deel omgezet in plantaardige biomassa die wordt gebruikt voor voeding van mens of dier. Het deel dat door mensen wordt gegeten (mogelijk na transport over grote afstanden en omzetting door de voedingsindustrie) komt vrij in afvalwater en wordt geloosd op het oppervlaktewater na enige vorm van behandeling. Het deel dat door dieren wordt gegeten wordt teruggevoerd naar landbouwgronden, waarbij een aanzienlijk deel door het vee wordt uitgescheiden en vrijkomt als NH3, met bijkomende verliezen in de vorm van N2O, NO en NO3-. Daaropvolgend neerslaan vanuit de atmosfeer van NH3 leidt tot meer emissies van N2O en NO en tot uitspoelen van NO3-. De atmosfeer vormt dus een middel waarmee reactieve stikstof wijd wordt verspreid, wat resulteert in verstoring van de stikstofkringloop in gebieden die ver zijn verwijderd van directe menselijke inmenging.  

Met alle onderwerpen die hier zijn genoemd is het duidelijk dat “stikstof” een belangrijk thema is dat vele gebieden doorsnijdt. Het bestrijkt het merendeel van de belangrijke maatschappelijke domeinen en de directe en indirecte invloed die deze hebben op de milieuproblemen van Europa: klimaatverandering, biodiversiteit, de gezondheidstoestand van ecosystemen, volksgezondheid, (grond)watervervuiling enz.     

Op te lossen vragen  

• Inzicht in de stikstofkringloop:
  • Uit welke chemische en fysische processen is die kringloop opgebouwd?
  • Hoe hangen die processen samen?
  • Hoe groot zijn in elk geografisch gebied de massastromen die elk van die processen in en uit gaan?
• In welke agrarische en andere productieprocessen treden verliezen op van reactieve stikstof, hoe groot zijn die en welke paden volgen deze daarna?
• Wat is de interactie tussen de productie van voedsel en de inzet van biomassa, en hoe beïnvloeden deze de stikstofkringloop?
• Hoe ziet de stikstof balans voor Nederland eruit?
• Wat is de relatie tussen de elementen van de stikstofkringloop en de emissies dan wel opname van broeikasgassen? (niet alleen N2O maar ook CO2, CH4)

Voorbeelden van recente resultaten

Depositie monitoring in bossen Het Pan-Europese Programma voor Intensieve Monitoring van Bos-ecosystemen is het “level II” programma van het Internationale Coöperatieve Programma voor de Inschatting en Monitoring van Effecten van Luchtverontreiniging op Bossen (“ICP Forests of UN/CE”). Het verschaft een raamwerk voor de analyse van de effecten van belasting van bossen met schadelijke stoffen vanuit de atmosfeer en de variaties daarin. Het programma in Nederland omvat vijf locaties: Dwingeloo (1), Hardenberg (2), Speuld (3), Zeist (4) en Leende (5). Op alle locaties wordt de samenstelling van “doorval” gemeten: neerslag die door de kronen van de bomen valt (voor een deel bestaat die uit de oorspronkelijke neerslag, en voor een deel uit druipwater en water dat van de stammen afstroomt).

Er werd een vergelijking gemaakt tussen de gemeten deposities en de in Nederland gerapporteerde emissies. Doel daarvan was na te gaan hoe effectief het Nederlandse beleid van emissiereducties is. Bij voorbaat moet worden opgemerkt dat dit kan zijn bemoeilijkt doordat deposities in Nederland niet alleen afkomstig zijn van Nederlandse bronnen, maar voor 60% uit andere EU landen komen. De getallen liggen 5 jaar uiteen doordat de emissiegetallen eens per 5 jaar beschikbaar komen.

De vergelijking is gebaseerd op de situatie in 1995. Er is een duidelijk verschil in de trends. De emissies verminderen tussen 1955 en 2005, maar de deposities blijven eerst ongeveer gelijk (NHx, NOy) of nemen eerst toe (SOx) om pas in de laatste vijf jaar af te nemen. Dit zou kunnen worden veroorzaakt door:

• Buitenlandse bronnen
• Verschillen tussen gerapporteerde en werkelijke emissies
• Verschuivingen in de chemische reacties onderweg tussen de bronnen en de meetlocaties, die kunnen afhangen van de concentraties.  

Meer onderzoek is nodig.

Visualisatie van de stikstofproblematiek

We hebben software gemaakt waarmee snel inzicht kan worden verkregen in de bronnen en de effecten van reactieve stikstof, en de verbanden daartussen. Deze laat ook zien hoe de ontwikkeling daarvan in de tijd zou kunnen verlopen.

Één van de belangrijkste aspecten van reactieve stikstof is de rol ervan in de voedselvoorziening. Op basis van een ruwe berekening zou 40% van de wereldbevolking niet voldoende kunnen worden gevoed als er geen kunstmest zou bestaan. Zelfs met het huidige verbruik van kunstmest lijden miljoenen mensen onder ondervoeding. In de animatie hebben we de nadruk echter niet gelegd op problemen door tekorten aan reactieve stikstof, maar op de probleemgebieden die worden geconfronteerd met de gevolgen van een overmaat daarvan.

De visualisatie bestaat uit drie delen:

1. De ontwikkeling van bronnen van reactieve stikstof.
2. De effecten daarvan.
3. Een cockpit waarin u beleidskeuzes kunt invoeren en de gevolgen daarvan kunt zien.