Stikstofverzadiging
Wat is de rol van de economie in het veroorzaken van stikstofverzadiging? Wat is het belang van stikstof voor de economie?
Wat is het belang van stikstof voor de economie?
Deze laatste vraag is denken we het makkelijkst te beantwoorden:
Stikstof is een onmisbare bouwsteen van proteïnen. Proteïnen zijn onmisbaar voor de groei en lichaamsfuncties van alle levende wezens op aarde, dieren én planten. Dieren, inclusief mensen, kunnen alleen stikstof opnemen door planten of andere dieren te eten. Planten nemen stikstof op uit de bodem. Daarom is de aanwezigheid van stikstof in de bodem cruciaal voor onze voedselvoorziening. Ruim drie-kwart, 78%, van de atmosfeer bestaat uit stikstofgas, oftewel di-stikstof. Scheikundigen schrijven N2, N is het symbool voor het stikstof-atoom. Stikstofgas heeft een sterke binding tussen de twee stikstof-atomen. Daardoor is stikstofgas niet bruikbaar voor dieren en planten. Dieren ademen evenveel stikstofgas in als ze uitademen.
Stikstof is één van de limiterende groeifactoren van planten. Dat wil zeggen dat als er voldoende is van de andere voedingsstoffen in de bodem, maar er onvoldoende stikstof is, de planten niet groter groeien dan de beschikbare stikstof toelaat. Deze wetmatigheid wordt de wet van Liebig of de wet van het minimum genoemd en wordt vaak geïllustreerd met het vat van Liebig:
De duigen, of latten, van het vat laten zien hoeveel er van iedere voedingsstof nodig is voor de optimale groei van een plant. De twee vaten in de tekening stellen ieder de behoefte aan voedingsstoffen van een andere plant voor. Merk op dat de stikstofbehoefte van de plant rechts groter is dan van de plant links. Elke plantsoort heeft een eigen kenmerkende behoefte aan voedingsstoffen. Als er van één van de voedingsstoffen te weinig is in de bodem, dan limiteert die voedingsstof de groei. Het linkse vat illustreert een bodem met een relatief tekort aan stikstof – de stikstof (nitrogen)-duig is niet volledig wit – waardoor de plant niet haar potentiële grootte bereikt. Het vat rechts illustreert een tekort aan kalium (potassium).
Het korte antwoord op de vraag is dus dat stikstof een belangrijke rol speelt in de voedselvoorziening, één van de elementen van het sociaal fundament van de donut.
Wat is de rol van de economie in de stikstofverzadiging?
Om deze vraag te kunnen beantwoorden, is basale kennis van de stikstofcyclus gewenst. De stikstofcyclus, of -kringloop, wordt uitgelegd in onderstaand filmpje van Bioleren.be.
Het filmpje beschrijft de stikstofkringloop in de natuur, maar gaat niet in op de impact van menselijk handelen op de kringloop. Daarvoor introduceren we onderstaand plaatje van een vereenvoudigde stikstofkringloop. Als je over het plaatje beweegt zie je de delen waarop je kunt klikken voor een verdere uitleg, oplichten.
Denitrificatie
Een aantal micro-organismen zetten nitraat om in stikstofgas (di-stikstof), als er weinig of geen zuurstof beschikbaar is in de bodem. Hierdoor is de stikstof niet langer beschikbaar voor planten. Bij de denitrificatie komt naast N2 altijd nog een kleine hoeveelheid N2O (lachgas) als tussenstof vrij. Als er veel stikstofverbindingen in de bodem zitten, bijvoorbeeld door bemesting, is de hoeveelheid lachgas groter. Lachgas is een broeikasgas.
Stikstoffixatie
...
Stikstoffixatie is een chemisch proces waarbij di-stikstof (N2) in de lucht wordt omgezet in ammoniak (NH3) of andere stikstofhoudende verbindingen. Rond 2015 werd door mensen 1 1/2 keer zoveel stikstof gefixeerd dan in de natuur, door micro-organismen, gefixeerd wordt. Hiervoor wordt overwegend het Haber-Bosch proces gebruikt, dat ontdekt werd door Fritz Haber tijdens zijn onderzoek naar het produceren van explosieven. De twee atomen van di-stikstof (N2), hebben een sterke, driedubbele, verbinding. Het verbreken van deze verbinding gebeurt onder hoge druk (150-250 atmosfeer) en een temperatuur tussen de 400 en 550°C.. Daarom is voor het fixatie proces veel energie nodig.
Bemesting
...
Van nature halen micro-organismen stikstof uit planten die vergaan, uitwerpselen van dieren en dode dieren. Maar ze kunnen ook di-stikstof uit de atmosfeer halen. Deze di-stikstof en de di-stikstof die door de regen op de bodem is terechtgekomen, wordt door de micro-organismen gefixeerd. Dat wil zeggen dat di-stikstof (N2) wordt omgezet in ammoniak (NH3) of andere stikstofhoudende verbindingen. De mens grijpt hierop in door industrieel geproduceerde stikstof toe te voegen aan de bodem. Dit noem je bemesten. Meestal wordt een mix van voedingsstoffen toegevoegd in de vorm van kunstmest.
Deze voedingsstoffen worden niet helemaal opgenomen. Dat komt bijvoorbeeld doordat het hele veld bemest wordt en niet alleen rond de wortels van de plant, en omdat delen van de bodem vruchtbaarder zijn dan andere, maar er overal evenveel mest wordt toegevoegd. De voedingsstoffen die niet gebruikt worden komen, volgens de laatste gegevens uit 2015, voor 1/3 in de atmosfeer terecht en voor 1/3 in het water. Een deel blijft in de bodem achter en stimuleert de groei van stikstofminnende planten, zoals brandnetels en bramen, die concurreren met andere begroeiing.
De stikstof die in het water terechtkomt stimuleert de groei van stikstofminnende waterplanten, zoals algen. Algen groeien aan de oppervlakte van het water en een dichte algengroei neemt het zonlicht van andere planten en dieren weg. Als algen doodgaan en naar de bodem zinken en gaan rotten wordt er zuurstof verbruikt, waardoor het zuurstofgehalte van het water afneemt. Een uit de hand gelopen algengroei is daarom slecht voor het andere leven in de buurt. Dit proces noem je eutrofiëring en het leidt tot dode zones, zoals in de Baltische Zee.
De stikstofverbindingen die in de atmosfeer terecht komen zijn het resultaat van denitrificatie. Meer informatie vind je daar.
Fossiele brandstoffen
...
Uitwerpselen van dieren en de resten van dode planten en dieren komen op de bodem terecht. Hier worden ze afgebroken door schimmels en micro-organismen. Maar niet alle resten worden afgebroken. Een deel wordt afgezet in de bodem of, voor oever- en waterplanten en dieren die rond of in het water leven, op de bodem van de zee of een meer. De fossiele brandstoffen, zoals steenkool en aardolie, hebben een dergelijk proces ondergaan, dat miljoenen jaren heeft geduurd. We hebben deze voorraden gevonden en ontdekten dat het energiebronnen zijn. Het duurder langer voor we ontdekten dat we tijdens het verbranden van fossiele brandstoffen schadelijke gassen uitstoten, zoals broeikasgassen. Broeikasgassen zijn gassen in de atmosfeer die bijdragen aan het vasthouden van warmte in de atmosfeer en daarmee aan het verhogen van de gemiddelde temperatuur. De belangrijkste broeikasgassen zijn CO2, methaan (CH4), lachgas en waterdamp. Lachgas (N2O, distikstofoxide) komt vooral vrij uit grond die bemest is met kunstmest of dierlijke mest. Lachgas is een zeer sterk broeikasgas: 1 kilo lachgas heeft hetzelfde effect als 265 kilo CO2.
Naast N2O worden ook stikstofoxides uitgestoten. De som van stikstofmonoxide (NO) en stikstofdioxide (NO2) wordt stikstofoxiden (NOx) genoemd. Stikstofmonoxide (NO) is een gas dat ontstaat bij de verbranding van fossiele brandstoffen, bijvoorbeeld door het verkeer, maar ook door het verbranden van biomassa. Biomassa is het biologisch afbreekbare gedeelte van producten, afvalstoffen, en plantaardig en dierlijk restmateriaal van de land- en bosbouw, en van industrieel en huishoudelijk afval. In de lucht wordt het uitgestoten stikstofmonoxide (NO) vrij snel omgezet tot stikstofdioxide (NO2).
Stikstofdioxide kan voor mensen schadelijk zijn. Dat komt omdat het door kan dringen tot in de kleinste vertakkingen van de luchtwegen. Bovendien slaan stikstofoxiden neer in de natuur. Daardoor wordt de bodem verrijkt met stikstof, ook in natuurgebieden. Dit stimuleert de groei van stikstofminnende planten, die andere plantengroei verdringen. Hierdoor neemt de biodiversiteit af. Verder veroorzaken stikstofoxiden een derde deel van de zure regen op aarde, doordat deze worden omgezet in salpeterzuur (HNO3). Zure regen heeft verschillende negatieve effecten, onder andere het verstikken van poriën in de bladeren van planten, waardoor ze afsterven, en het verzuren van de bodem. Hierdoor ontstaat een calciumtekort bij onder meer vogels.
We dragen allemaal bij aan de stikstofvervuiling: als we in een benzine-auto rijden, als we elektriciteit gebruiken die is opgewekt met fossiele brandstoffen of biomassa, ons huis verwarmen met gas, de haard stoken, etc. Maar de grootste bijdrage wordt geleverd door de landbouw, zoals je kunt zien in onderstaande grafieken van het Compendium voor de Leefomgeving:
De emissie van ammoniak komt bijna geheel voor rekening van de landbouw. Dit is vooral te wijten aan de veeteelt, omdat uit dierlijke uitwerpselen ammoniak ontsnapt.
De export van Nederlandse landbouwproducten is twee keer zo groot als de import van landbouwproducten voor eigen gebruik (CBS.nl). De grafiek hieronder laat de ontwikkeling van de import en export van landbouwproducten en levende dieren gedurende de periode 2007 – 2017 zien:
We produceren dus meer dan we consumeren. In 2018 aten we iets meer dan 77 kg vlees per persoon. Dat is al jaren min of meer stabiel, met een piek in 2010, blijkt uit onderzoek van de Wageningen Universiteit (WUR):
Volgens het voedingscentrum is het voor onze gezondheid voldoende om 100 gram vlees, vis of vleesvervangers per dag te eten. Dat is bijna 36,5 kg per jaar. We eten dus meer dan twee keer zoveel vlees dan we nodig hebben. Bovendien verspillen we gemiddeld per persoon per jaar 34 kg aan voedsel, vooral brood, zuivel, groente, fruit en aardappelen (voedingscentrum.nl).
Het bovenstaande brengt ons de beschrijving van het subdomein Schaarste in gedachten: “De kandidaat kan in contexten analyseren dat beperkte middelen en ongelimiteerde behoeften dwingen tot het maken van keuzes.” We raden altijd aan om het woord ‘ongelimiteerde’ te vervangen door ‘verscheidene’, maar in het geval van onze voedselconsumptie, met name onze vleesconsumptie, lijkt het woord toch op zijn plaats.
De crux is, dat middelen minder beperkend zijn als we voedsel opmaken voor het slecht wordt, restjes opeten, onze vleesconsumptie afstemmen op onze fysiologische behoefte, experts worden in precisie bemesting, de niet-kerende methode en andere landbouw innovaties die het stikstofgebruik en de ammoniak uitstoot terugdringen.
In 2017 was de export van Nederlandse landbouwproducten 8,25% van de totale export van Nederlands product. Ik laat hier de wederuitvoer en de doorvoer buiten beschouwing. Zo’n 85% daarvan bleef binnen Europa. We kunnen dus niet beweren dat we de wereld voeden. Binnen Europa heeft Nederland de hoogste bevolkingsdichtheid, na Monaco, het Vaticaan, Malta en San Marino. Van de werkzame personen werkten in 2019 iets meer dan 2% in de landbouw. Samen namen zij 2,8% van de gewerkte uren in dat jaar voor hun rekening.
Een element als stikstof, dat je niet eens kunt zien, demonstreert hoe de onderdelen van de donut met elkaar samenhangen. Stikstof is noodzakelijk voor onze voedselvoorziening, een onderdeel van het sociaal fundament, maar door te veel stikstof raakt de natuur uit balans. Dit bedreigt de biodiversiteit, een onderdeel van het ecologische plafond, maar ook onze gezondheid. Het is de uitdaging van nu en de toekomst om hierin het evenwicht te vinden.