Werking van digestaat in de bodem (stikstof en organische stof)

Proefopzet
In het laboratoriumexperiment werden de volgende meststoffen onderzocht:

• Digestaat van 69% reststoffen uit de voedselindustrie (Biowaste)
• Digestaat van 85% zuiveringsslib
• Digestaat van 44% mais en 31% gras
• Digestaat van 67% varkensmest
• Digestaat van 100% kippenmest
• Droge, dikke fractie van digestaat van 100% kippenmest
• Compost van GFT (Groente-, fruit- en tuinafval)
• Dunne varkensdrijfmest (niet vergist)

De samenstelling en analysewaardes van de gebruikte meststoffen zijn te vinden in de onderstaande tabel en meer gedetailleerd in het bijgevoegde wetenschappelijke artikel. Het digestaat was afkomstig van vergistingsinstallaties uit verschillende landen.

De meststoffen werden geanalyseerd en vervolgens in buisjes toegevoegd aan een lemige zandgrond (260 gram grond per buisje). In de meststoffendosering werd ernaar gestreefd dat deze overeenkomt met een bemesting van 170 kg N per hectare. Door wat omissies in de proefopzet is men daar overigens wat van afgeweken.

Mineralisatie stikstof
De negen behandelingen (de acht meststoffen en een referentie met grond zonder bemesting) werden in drievoud aangelegd. De buisjes werden bij een constante temperatuur van 20,9°C in het donker geplaatst. Het vochtgehalte werd regelmatig gecontroleerd waarbij gestreefd werd naar 50% bodemverzadiging.
Om de mineralisatie van stikstof te meten werden ammonium (NH₄⁺) en nitraat (NO₃^-) gemeten op zes momenten: op dag 20, 40, 60, 80, 100 en 127.
Op deze wijze verkreeg men een goed inzicht in de snelheid van beschikbaar komen van stikstof uit de meststoffen.

Mineralisatie organische stof (koolstof)
In dit experiment werden de negen behandelingen op dezelfde manier aangelegd. Gedurende 149 dagen werd op 16 momenten de (door het bodemleven) geproduceerde CO₂ gemeten. Aan het einde van de proef werd bepaald hoeveel organische stof er door het bodemleven is opgebouwd.
Op basis van de metingen kon men met een aantal berekeningen bepalen hoeveel organische stof is verbruikt door het bodemleven, en hoeveel organische stof blijvend is toegevoegd aan de bodem.

Resultaten
De verschillende soorten digestaat verschilden onderling qua samenstelling, maar vooral waren de verschillen groot tussen de vijf soorten digestaat, de GFT-compost, de droge fractie van vergiste pluimveemest en de dunne varkensmest.

Dit is ook duidelijk te zien aan de verhoudingen tussen de verschillende fracties koolstof en stikstof:

De TOC : TN-verhouding is de verhouding tussen totaal organische koolstof (TOC) en totale stikstof (TN). Deze verhouding voorspelt in hoeverre de meststof stikstof levert voor de groei van gewassen. Bij een C:N-verhouding van lager dan 15 zal er in de regel snel stikstof beschikbaar zijn. Bij een C:N-verhouding van boven de 35 zal er juist stikstof uit de bodem worden onttrokken. Dit is zo omdat de op te bouwen humus in de grond ook een bepaalde C/N-verhouding heeft.

De NH₄ : TN-verhouding geeft aan welk deel van de stikstof in de mest organisch en anorganisch is.

De DOC : TOC-verhouding geeft het deel van de koolstof in de mest dat wateroplosbaar is. Dit is een indicatie voor de stabiliteit van de organische stof. Bij een laag percentage zal er veel stabiele organische stof in de meststof aanwezig zijn, en tegelijkertijd zal er dan relatief weinig organische stof beschikbaar zijn voor het bodemleven.

Deze absolute gehaltes en de verhoudingen geven een voorspelling voor de waarde van de meststof als bodemverbeteraar (veel stabiele koolstof) of als meststof (veel stikstof, en anorganische stikstof voor een snelle werking). De metingen van stikstof en koolstof in dit onderzoek bevestigen de verwachtingen.

Tabel 1: samenstelling gebruikte meststoffen (samenvatting) 

Werking van koolstof (organische stof) in de bodem
Er zijn significante verschillen tussen de behandelingen gemeten. De biologische activiteit in de bodem (zie de grafiek) was het hoogste bij aanwenden van de niet vergiste mest en daarna bij de vloeibare digestaten, met verschillen tussen de vijf soorten digestaat. Dikke fractie van vergiste pluimveemest en vooral GFT-compost lieten de laagste biologische activatie van bodemleven zien.

De andere kant van dezelfde medaille is dat voor de opbouw van stabiele organische stof in de bodem een tegenovergesteld patroon is te zien. Effectieve organische stof (EOS) is de organische stof die na een jaar nog aanwezig is in de bodem.

Grafiek over het gedrag van koolstof in het experiment. De grafiek geeft de cumulatief geproduceerde CO₂ weer. Hiermee is te zien hoe snel organische koolstof uit de meststof wordt afgebroken. Het is tevens een maat voor de biologische activiteit van de bodem.

Relatief gezien is de organische stof van GFT-compost het stabielste (99%), maar ook van de dikke fractie van vergiste pluimveemest is deze met 86% erg hoog. 
Wanneer er bemest wordt tot 170 kg stikstof per hectare, dan zijn de verschillen groter, zoals de tabel laat zien. Dit komt met name door het lage stikstofgehalte in de GFT-compost.

Tabel 2: werking van organische stof in de bodem

Opvallend is het feit dat er nauwelijks verschil is tussen de niet en wel vergiste varkensmest qua werking voor de bodem: bij beide meststoffen is het percentage EOS (effectieve organische stof, het deel dat na een jaar nog in de bodem aanwezig is) 57%.
Echter, de CO₂-uitstoot uit de bodem is wel fors lager bij het digestaat (zie de bovenstaande grafiek). Met andere woorden: de koolstof in de mest wordt bij niet vergiste mest relatief meer verbruikt en minder gebruikt (omgezet tot humus in de grond) en bij eenzelfde koolstofopbouw in de bodem wordt bij digestaat minder CO₂ verbruikt.  Het lijkt er dus op dat de koolstof die via vergisting uit de mest wordt gehaald (omgezet wordt tot biogas) de koolstof is die niet ten goede komt aan opbouw van humus in de grond, maar verbruikt wordt door het bodemleven. En daarmee leidt het tot een hogere CO₂-uitstoot vanuit de bodem.

De bijdrage van digestaat (en zeker de dikke fractie van digestaat) aan de opbouw van organische stof in de bodem is hoger dan op basis van de productanalyses verwacht werd. De DOC:TOC-verhouding (zie tabel 1) is namelijk relatief hoog, en toch wordt er relatief veel effectieve organische stof opgebouwd.
De onderzoekers verklaren dit door te wijzen op de zogenaamde ‘microbiële koolstofpomp’. Hiermee wordt het volgende bedoeld: doordat het bodemleven wordt geactiveerd gebruikt het bodemleven de snel werkende koolstof uit de mest en zetten dit om in stabiele organische stof. In de studie is ook berekend hoeveel organische stof door het bodemleven is geproduceerd, en dat bevestigt dit beeld. Tussen de zogenaamde CUE (microbial Carbon Use Efficiency, het deel van de door het bodemleven gebruikte koolstof dat wordt vastgelegd in groei) en EOS vond men een significant verband van 0,82.

Conclusie t.a.v. koolstof
Hoewel lager dan bij gecomposteerde producten draagt digestaat significant bij aan de opbouw van stabiele organische stof in de bodem. Ook levert het een goede bijdrage aan het activeren van bodemleven. Ten opzichte van niet vergiste mest is de CO₂-uitstoot uit de bodem lager, terwijl dat niet leidt tot een lagere opbouw van organische stof in de bodem.

Er werden significante verbanden gevonden tussen de ratio’s TC:TN (totale koolstof: totale stikstof) en DOC:TOC (oplosbare organische koolstof: totale organische koolstof) en de opbouw van effectieve organische stof (EOS). Dit betekent dat men met een productanalyse kan voorspellen hoe de meststof bijdraagt aan opbouw van organische stof in de bodem.

Werking van stikstof in de bodem
Stikstof in de mest zit in organische en in anorganische verbindingen. De anorganische stikstof is vrijwel volledig in de vorm van ammonium (=NH₄) zoals tabel 1 toont. Uit de grafieken is te zien dat het proces van nitrificatie snel plaatsvindt: vanaf dag 40 is alle anorganische stikstof als nitraat aanwezig.

Drie figuren over minerale stikstof in de bodem:
Bovenste grafiek: concentratie ammonium (NH₄⁺) in de grond
Middelste grafiek: concentratie nitraat (NO₃^-) in de grond
Onderste grafiek: concentratie minerale stikstof totaal (NH₄⁺ + NO₃^-) in de grond

De grafieken laten zien dat ook uit de bodem (onderste zwarte lijn ‘SOIL’) zelf stikstof beschikbaar komt. De behandeling met GFT-compost ligt maar marginaal boven deze lijn. Dit betekent dat GFT-compost gezien moet worden als een bodemverbeteraar en niet als een meststof om gewassen mee te bemesten.

Voor de andere meststoffen is dat niet het geval, deze hebben dus wel een bemestende waarde voor de gewassen. De hoogste stikstofwerking heeft de dunne varkensmest: 87% van de toegediende stikstof komt beschikbaar. Bij de vijf soorten digestaat varieerde dit van 63% tot 81%. Dit verschil met de niet vergiste mest wordt verklaard door het feit dat het zeer dunne, waterige mest betrof.
Uit de droge, organische fractie van vergiste pluimveemest kwam 48% van de toegediende stikstof in de periode van het experiment (127 dagen) beschikbaar.

Tabel 3 mineralisatie van stikstof uit de meststoffen

In het onderzoek werd een sterk significant verband gevonden tussen het gehalte ammonium in de mestmonsters en de netto mineralisatie gedurende de periode. De relatie is 0,83. Ook uit de verhouding TC:TN (totale koolstof : totale stikstof) is een sterk significant verband van -0,83 met het vrijkomen van stikstof gevonden. Dat betekent dat door bemonsteren van de mest nauwkeurig kan worden ingeschat of en hoe snel de stikstof beschikbaar zal komen.

Conclusie t.a.v. stikstof
GFT-compost is te zien als een pure bodemverbeteraar omdat het de hoogste bijdrage levert aan opbouw van organische stof in de bodem (zeker ten opzichte van het stikstofgehalte)  maar geen bemestende waarde heeft voor de groei van gewassen.
Digestaat levert een bijdrage aan zowel de bodem, het bodemleven als de gewasgroei.
Het beschikbaar komen van stikstof voor de gewasgroei is nauwkeurig te voorspellen met productanalyses.

Het volledige wetenschappelijke artikel 'Assessment of the carbon and nitrogen mineralisation of digestates elaborated from distinct feedstock profiles' is hier bijgevoegd.