Te droog om nat te worden

Wie zijn kamerplant iets te laat begiet ziet dat het water op de aarde blijft liggen. De uitgedroogde grond is waterafstotend geworden. Het verschijnsel is een mondiaal probleem. Op zoek naar een beter vochtgehalte van de bodem.

`OP DE HELE wereld komen waterafstotende gronden voor', zegt dr. Coen Ritsema, hoofd van de afdeling Bodemfysische Transportverschijnselen bij het Staring Centrum in Wageningen. ``Oorzaak is meestal een vettig laagje waterafstotende organische humuszuren in de bovengrond. Zulke gronden zijn zeer gevoelig voor bodemerosie. Bij een fikse bui op waterafstotende gronden zal het regenwater snel oppervlakkig afstromen. Vruchtbare aarde wordt weggespoeld, kunstmest en bestrijdingsmiddelen belanden in het grondwater.''

Dat veengronden droogtegevoelig zijn, was al tientallen jaren bekend. Eenmaal uitgedroogd worden ze moeilijk weer nat. De ontdekking dat ook zand- en kleigronden behoorlijk waterafstotend kunnen zijn is nieuw. Enkele jaren geleden constateerden Ritsema en zijn Wageningse collega's keer op keer dat hun veldmetingen niet klopten. ``Volgens de klassieke theorie zakt het water bij een regenbui langzaam en gelijkmatig de droge zandgrond in. Bij waterafstotende gronden echter zoekt het vochtfront zijn weg via bepaalde stromingsbanen, ook wel `vingers' genoemd'', legt Ritsema uit.

Die stromingsbanen komen bij iedere regenbui op dezelfde plek terug. Hun doorsnee is 10 tot 20 centimeter en de onderlinge afstand 30 tot 40 centimeter. Als de boer net voor de regenbui kunstmest of bestrijdingsmiddelen had toegediend, belanden die langs deze stromingsbanen supersnel in het grondwater, dat hierdoor vervuild raakt. Tussen de stromingsbanen blijft de grond droog, meststoffen of bestrijdingsmiddelen zullen er niet komen. Zo ontstaat op den duur een zeer heterogene bodemverdeling, die nadelig is voor de gewasgroei. Ritsema: ``De gangbare waterstromings- en stoftransportmodellen houden hier geen rekening mee, want het klassieke model van homogene indringing van het vochtfront in de grond blijkt meestal niet altijd te kloppen.''

Ritsema trok dus het veld in, samen met zijn collega Louis Dekker. Op zand-, klei- en veengronden in het hele land namen ze tienduizenden bodemmonsters, waaraan nog veel meer metingen werden gedaan. Vorig jaar promoveerde het duo aan de Landbouwuniversiteit. Ritsema beschreef het bodemfysische gedrag van een zeer waterafstotende zandgrond met behulp van simulatiemodellen. Dekker inventariseerde de hydrologische eigenschappen van bodems op 865 locaties in het duingebied en op 100 locaties in het rivierengebied. Hij toonde aan dat veel komkleigronden in Midden-Nederland een waterafstotende werking hebben, terwijl ook duinzand extreem waterafstotend kan zijn. Beide studies vullen elkaar aan.

Ritsema: ``Onze aanpak was kleinschalig. Op stukken gras- of bouwland van maar enkele vierkante meters namen we op elke diepte telkens wel een paar honderd monsters. Al die grondmonsters werden in het laboratorium gewogen, gedroogd en daarna teruggewogen om het vochtgehalte te berekenen. Dat leidde tot een zeer heterogeen beeld van de vochtindringing in de grond. Hoewel grote stukken grond aanvankelijk helemaal droog blijven, is dat aan het gewas niet altijd te zien. De wortelgroei concentreert zich in de humeuze bovenlaag. De stromingsbanen ontstaan meestal dieper, net onder de wortelzone.''

Een hoogst enkele keer, mede afhankelijk van de weersgesteldheid en het vochtgehalte van de atmosfeer, kregen de onderzoekers de stromingsbanen in bodemprofielen ook echt te zien. Het verschijnsel speelt vooral 's zomers en in de herfst.

Waarom het vochtfront aanvankelijk niet dieper in de zandgrond doordringt is fysisch-chemisch te verklaren. Gronden zijn te karakteriseren naar hun watervasthoudend vermogen, uitgedrukt in pF-waarden (de pF is de negatieve logaritme van de waterdruk). Ritsema: ``Opmerkelijk is dat het uitdrogen veel sneller verloopt dan het weer bevochtigen van de grond. Je ziet dan ook twee curves in één pF-grafiek. Zo'n verschijnsel waarbij de `heenweg' anders verloopt dan de `terugweg' wordt in de natuurwetenschappen histerese genoemd.''

In zijn proefschrift laat Ritsema aan de hand van computersimulaties nauwkeurig zien hoe het bevochtigen verloopt van gewone en van waterafstotende gronden. Bij een normaal vochtfront gaat het `vanzelf', onder invloed van drukhoogtegradiënten. Het water wil `van nat naar droog' en, onder invloed van de zwaartekracht, van boven naar beneden. Bij waterafstotende gronden verloopt de bevochtiging aanvankelijk veel trager dan normaal. Eerst moet een flinke weerstand worden overwonnen voordat het vochtfront in de grond kan doordringen: het water `wil er niet in' en wordt afgestoten. Zo wordt een druk opgebouwd, totdat op bepaalde plekken in het onregelmatige vochtfront een doorbraak volgt en stromingsbanen ontstaan, steeds op dezelfde plaatsen. De banen blijken te ontstaan op `zwakke' plekken, waar de gronden iets minder waterafstotend zijn dan hun omgeving.

Ritsema: ``Het feit dat kunstmest en bestrijdingsmiddelen via deze stromingsbanen snel naar het grondwater uitspoelen is heel vervelend. Bovendien gaat een groot deel van de buffercapaciteit van de grond verloren. Bij toediening van meststoffen bijvoorbeeld wordt de buffercapaciteit van de grond berekend naar het gehele bodemvolume, maar dat blijkt hier dus niet terecht, omdat het water niet in de zones tussen de stromingsbanen komt. Deze gronden kunnen in de praktijk bijvoorbeeld veel minder fosfaat vasthouden dan berekend. Dat heeft consequenties voor het bemestingsbeleid.''

Zo ontstaan verschillen in bodemfysische en bodemchemische eigenschappen, zoals een significant verschil in zuurgrond binnen en buiten de stromingsbanen. Ritsema: ``Als een boer zijn grond bekalkt, komt die kalk alleen in de bovenste laag en in de stromingsbanen. Ook kunstmest komt alleen daar waar het water stroomt. Zo'n heterogene verdeling van vocht en voedingsstoffen kan voor de gewasgroei uiteindelijk heel negatief uitpakken. In Australië haalt men op waterafstotende gronden een duidelijk lagere opbrengst.''

Oorzaak van de waterafstotendheid zijn organische afbraakproducten van planten. Planten houden zichzelf schoon met een waslaagje dat de bladeren waterafstotend maakt. Daardoor spoelt een stoffig blad bij het eerste buitje weer helemaal schoon. Deze was is goed oplosbaar en kan met het regenwater op de grond belanden en vervolgens uitkristalliseren op gronddeeltjes, zodat ook op de grond een vettig, wasachtig laagje ontstaat.

Afhankelijk van het vochtgehalte van de grond kunnen de vettige, wasachtige humuszuren zich vochtminnend (hydrofiel), maar ook vochtafstotend (hydrofoob) manifesteren. Als de grond uitdroogt volgt een vrij plotselinge omslag van hydrofiel naar hydrofoob. Dit omslagpunt wordt het kritische vochtgehalte van de grond genoemd. Ritsema: ``Boeren weten uit ervaring dat ze bijvoorbeeld bij hun aardappels niet te lang moeten wachten met beregenen, omdat het water anders niet goed meer de grond in wil. De komende jaren willen wij deze kritische bodemvochtgehaltes in Nederland in kaart brengen.''

Nog niet zo lang geleden ging een driejarig EG-project van start, waarbij Nederland, Engeland, Portugal, Griekenland, de Verenigde Staten en Australië samenwerken. Onderzoekers brengen in kaart waar en wanneer de problemen spelen, computersimulatiemodellen worden verfijnd. Ook worden maatregelen onderzocht om het vochtgehalte van de gronden op peil te houden. Zo blijkt uit Australische proeven dat toediening van kleine hoeveelheden kalkhoudende klei kan helpen om de waterafstotendheid van de bovenlaag te verminderen. In Nederland loopt de waterafstotende laag echter vaak door tot zo'n 50 centimeter en soms wel anderhalve meter diep. Dan wordt mengen met klei een kostbare zaak.

golfbanen

Ook onderzoekt men andere zaaitechnieken om te zorgen dat het water de zaden beter bereikt, en toediening van micro-organismen die de waterafstotende componenten afbreken. Verder gaat Ritsema's groep in opdracht van Amerikaanse chemieconcerns binnenkort experimenteren met het bodemverbeterende effect van bepaalde chemicaliën (surfactants) die nu al op golfbanen worden toegepast.

In bergachtig terrein rond de Middellandse Zee kan de erosie van waterafstotende gronden ernstige vormen aannemen, vooral na bosbranden. Doordat bij zo'n brand organisch materiaal wordt verhit en verbrand, wordt het ontstaan van waterafstotende lagen bevorderd. Veel internationaal onderzoek gaat ook uit naar de vraag welke gewassen — en welke componenten in die gewassen — waterafstotendheid genereren. Zo blijken intensieve eucalyptusplantages extreem waterafstotend te zijn door de royale bladval van het gewas. Ritsema: ``Ook in Nederland speelt dit proces van erosie door oppervlakkige afspoeling, alleen loopt die minder in het oog. Het draagt zeker bij aan de vervuiling van het oppervlaktewater. Daarom moeten boeren altijd zorgen dat hun grond niet onder dat kritische vochtgehalte komt.''