Miljøprojekt, 1023 – Nitratreduktion i den umætttede zone

Nitratreduktion i den umætttede zone

Sammenfatning og konklusioner

Den umættede zone kan opdeles i tre zoner, øverst rodzonen eller jordbundszonen, dernæst den intermediære zone og nederst den kapillære zone, hvor porerne gradvist bliver mere vandfyldte og derved i stigende grad opnår egenskaber svarende til de der er gældende for den mættede zone. Den umættede zone udgør et tre-fase system bestående af mineralske bestandele, vand og luft hvor den mættede zone er et to-fase systemt med mineralske bestandele samt vand.

I engelsksproget litteratur omtales den umættede zone normalt som unsaturated zone, vadose zone eller zone of aeration.

Ilt kan forholdsvis let, enten opløst i det nedsivende vand eller ved diffusion på gasform, finde vej ind i den umættede zone. Dette har bevirket at det oprindelige indhold af reducerende stoffer stort set er opbrugt i denne zone og eventuelt kun vil være tilstede i den nederste del af den kapillære zone hvor stort set vandmættede og iltfrie forhold har beskyttet disse forbindelser mod iltning.

Nitratreduktion under umættede forhold kræver derfor ikke blot tilstedeværelse af nitrat men også et tilskud af tilgængelige reducerende stoffer. Et plantedække sikrer et tilskud af organisk stof, der i mere eller mindre omsat grad, kan transporteres ned i jordlagene. Desuden sikrer rødder, bakterier mm. at der in situ i jordbunden sker en berigelse med organisk stof. En del af dette organiske stof er biotilgængeligt og vil kunne udnyttes direkte af forskellige bakterier, enten direkte i reduktionen af nitrat (denitrifikation) eller indirekte ved dannelse af bl.a. opløst ferrojern ellern mangan. Iltfrie miljøer er en absolut forudsætning for reduktion af nitrat og sådanne iltfrie miljøer vil kunne opstå hvor forbruget af ilt er større end tilførslen. Dette kan eksempelvis ske når ilt forbruges under iltningen af reducerende forbindelse, som følge af kraftig mikrobiologisk aktivitet omkring lettilgængeligt organisk stof eller når temporær vandmætning nedsætter tilgangen af ilt betydeligt.

Et plantedække bidrager til puljen af biotilgængeligt organisk stof, der på baggrund af den eksisterende viden, må forventes at være det reducerende stof, der hovedsagelig bidrager til reduktionen af nitrat i den umættede zone. Nydannet ferrojern kan ligeledes, enten direkte eller indirekte, forventes at bidrage, men omfanget vil i høj grad være afhængig af typen af sediment. Derimod vil pyrit ikke kunne gendannes under umættede forhold hvorfor pyrit normalt ikke spiller nogen væsentlig rolle for nitratreduktionen her. Et eventuelt oprindeligt indhold af pyrit vil som udgangspunkt være iltet efter iltens adgang til den umættede zone og en eventuel tilstedeværelse vil være begrænset til den kapillære zone.

Som nævnt antages organisk stof at spille en meget betydelig rolle for nitratreduktionen under umættede forhold. Hidtidige undersøgelsesresultater viser da også at det største potentiale for nitratreduktion er knytter sig til det øverste jordlag, hvor der løbende sker en berigelse med organisk stof. Denne zone svarer nogenlunde til dybden af rodzonen, der for typiske danske afgrøder udgør de øverste 50-100 cm. Herefter aftager potentialet for nitratreduktion betydeligt og vil i høj grad afhænge af tilførslen af opløst organisk stof. Foreliggende forsøgsresultater tyder på at organisk stof vaskes ned til maksimalt 3 meter under terræn, dersom det på forskellig vis tilbageholdes ved bl.a. sorption og kompleksbinding til mineraloverflader. På steder hvor den umættede zone er dybere end de her nævnte ca. 3 meter må potentialet for nitratreduktion i den resterende del af den intermediære zone - ned til den kapillære front - forventes, at være yderst beskeden. I den kapillære zone vil potentialet for nitratreduktion være tilstede, men styret af bl.a. mængden af biotilgængelige materiale. Det største potentiale for nitratreduktion må derfor forventes på steder hvor den kapillære zone befinder sig indenfor de øverste ca. 3 meter og dertil der løbende sker et tilskud af biotilgængeligt organisk stof fra overfladen.

En række af de rapporterede undersøgelser af denitrifikation i jordprøver fra den umættede zone giver et indblik i processen, men lader sig ikke umiddelbart anvende ved en beregning af potentialet for denitrifikation i den umættede zone under naturlige forhold. Det billede, der tegner sig på baggrund af laboratorieundersøgelserne, er 1) at denitrificerende bakterier er tilstede i såvel rodzonen som i dybere dele af den umættede zone, 2) at der generelt mangler biotilgængeligt organisk stof i sedimenterne under rodzonen, 3) at et øget vandindhold i sedimenterne øger evnen til nitratreduktion grundet bedre muligheder for etablering af iltfrie mikromiljøer, og 4) at en stigning i forsøgstemperaturen, fra eksempelvis 10 °C til 25 °C, øger denitrifikationspotentialet betydeligt.

Feltforsøg til undersøgelse af jordens evne til denitrifikationen, ved i øvrigt ens forsøgsbetingelser (eksempelvis, jordtype, afgrødevalg og mængde gødning), viser ofte meget varierende resultater fra et år til andet. Dog er det normalt, at den største denitrifikation måles om foråret efter udbringningen af kvælstofgødning og hvor jorden besidder en øget pulje af tilgængelig af organisk stof, skabt ved frostprocessen gennem vinteren. Endvidere er potentialet for denitrifikation lavt i perioden fra juni til december, hvorefter denitrifikationen aftager yderligere gennem perioden fra december til april, som følge af bl.a. lave jordtemperaturer. Dette tidsmæssige forløb som beskrevet i feltundersøgelserne er forventelige og i overensstemmelse med de rapporterede laboratorieresultater. Således også, at der i særlige fugtige forår måles en forøget denitrifikation fra jorden.

Foruden de direkte målinger af denitrifikationen under laboratorie- og feltforsøg, er potentialet for denitrifikation søgt beregnet ved vandets kemiske sammensætning i henholdsvis den umættede zone og den underliggende mættede (grundsvands)zone. Det er imidlertid vist sig meget vanskeligt og yderst usikkert at anvende den metode, hvorfor denne fremgangsmåde ikke umiddelbart kan anbefales. Dette skyldes bl.a. at ændringen i koncentrationen af nitrat i en given dybde er påvirket af vandets bevægelsesmønster (ved bl.a. dispersion, dvs. spredning, og diffusion) samt koncentrationen af nitrat, der bl.a. ændres ved fortynding, mineralisering og planteoptagelse. Disse faktorer vil foruden en eventuel denitrifikation påvirke koncentrationen af nitrat i en given dybde og dermed det til enhver tid målte koncentrationsprofil for nitrat ned gennem den umættede zone. Disse forhold bevirker, at koncentrationsprofilet ikke nødvendigvis er generelt aftagende med dybden og som sådan ikke afspejler noget potentiale for reduktion af nitrat. En beregning af potentialet for denitrifikation ved inddragelse af data fra grundvandszonen vanskeliggøres ydermere af det forhold, at vandets bevægelseshastighed er betydelig langsommere i den umættede zone end i grundvandszonen.

På baggrund af litteraturstudiet må det konkluderes, at der for indeværende ikke foreligger de nødvendige data for kvantitativ vurdering af hvor meget nitrat der fjernes under umættede forhold i danske sedimenter. Desuden mangler der oplysninger om hvorledes og i hvilket omfang bl.a. ferrojern indgår i nitratreduktionsprocessen.

Derfor følges litteraturstudier op af to aktiviteter der begge forventes at kunne bidrage til en yderligere forståelse af omdannelsen af nitrat under umættede forhold. Den ene aktivitet omfatter laboratorieundersøgelser med målinger af nitrat, opløst organisk kulstof og opløst kvælstof i sedimenter fra ler og sandlokaliteter. Den anden aktivitet omfatter undersøgelser i felten, hvor der bliver foretaget samtidige målinger af jordens egenskaber (pH, redoxpotentiale og vandmætning) og jordvandets kemiske sammensætning (bl.a. nitrat, opløst organisk kulstof, opløst kvælstof og chorid) i den umættede zone.