Pad: Ecohydrologie / Standplaats, vegetatie en landschap / Standplaats fysisch en chemisch / pH en basenverzadiging

pH en basenverzadiging

Bufferprocessen
Bufferende processen in het landschap
De invloed van redoxprocessen op buffering in de bodem
Literatuur

Bufferprocessen
Buffering van de zuurgraad is het vermogen van het grondwater of de bodem om veranderingen in pH te neutraliseren. Er komen verschillende buffermechanismen in bodems voor, afhankelijk van de bodemchemische gesteldheid en de waterhuishouding van de standplaats:

Deze buffermechanismen werken elk op een specifiek pH-traject (zie Tabel 2‑4).

Tabel 2-4 Capaciteit, snelheid en pH-traject van zuurbuffering in Nederlandse bosgronden. De buffercapaciteit is de totale hoeveelheid H+-ionen die door het proces kunnen worden geneutraliseerd. De buffercapaciteit is groot indien het proces in staat is de zuurtoevoer voor lange tijd te neutraliseren, en klein indien dat slechts gedurende korte tijd het geval is. Bij oplossing van mineralen wordt dat door de hoeveelheid oplosbaar mineraal bepaald, bij buffering door bicarbonaat in kwelgebieden door de bicarbonaatflux (het product van grondwaterflux en bicarbonaatgehalte). De buffersnelheid is de snelheid van evenwichtsinstelling.  
 


Buffering door in het grondwater of bodemvocht aanwezig bicarbonaat verloopt als volgt:
                HCO3-+ H+ ↔ H2CO3                                                                                                       

Buffering door verwering van mineralen verloopt, in volgorde van dalende pH volgens de volgende reacties:

                CaCO3(s) + H+ → Ca2+ + HCO3- 
                (oplossen van kalk)

                2KSi3AlO8(s) + 2H+ → 2K+ + Si2Al2O5(OH)4(s) + 4H4SiO4                                          
                (oplossen van aluminiumsilicaten, in dit voorbeeld kalium-veldspaat)

                Al(OH)3(s) + 3H+ → Al3+ + 3H2O
                (oplossen van aluminiumhydroxiden)

                Fe(OH)3(s) + 3H+ → Fe3+ + 3H2O
                (oplossen van ijzerhydroxiden; zover komt het in de praktijk nooit)

Bij pH-waarden beneden 6,5 kan ook kationomwisseling met het adsorptiecomplex in de bodem optreden:
                (EXCH2)-Ca + 2H+ → 2EXCH2-H + Ca2+                                                                      

Bufferende processen in het landschap
De bufferende mechanismen komen niet overal in het landschap in gelijke mate voor. Achtereenvolgens bespreken we de situatie van hoog naar laag in het landschap.

Op plaatsen waar permanent wegzijging optreedt, hangt de pH af van de verweerbaarheid van de minerale bodem. Op sterk uitgeloogde dekzandgronden is de pH 4,5 of lager. Op sterk lemige of kleiige bodems kunnen wat hogere pH-waarden optreden. Zulke bodems komen voor in gebieden waar löss, keileem of lemig dekzand aan het maaiveld of zeer dicht eronder ligt. Ze zijn ook te vinden op de overgangen naar lager gelegen gebieden, waar dekzanden bij incidentele overstromingen zijn bedekt met beekleem of klei. Op kalkrijke bodem (krijt, zeeklei, kalkrijke rivierklei en kalkrijke löss) kunnen neutrale of basische pH-waarden bereikt worden.

Ook op vochtige tot natte bodems waar (periodiek) kwel of overstroming optreedt, is de aanwezigheid van verweerbare mineralen een factor. Daarnaast spelen de aanvoer van bufferstoffen via grondwater of oppervlaktewater en kationomwisseling met het adsorptiecomplex een rol. Is de bodem kalkrijk, dan wordt de pH in het neutrale of basische bereik gebufferd. Kalkrijke bodems komen voor in het Krijtgebied in Limburg, de omgeving van Winterswijk, daarnaast op de overgangen naar zee- en rivierkleigebieden en in gebieden waar niet ontkalkte löss aan de oppervlakte ligt (plaatselijk in het midden en westen van Brabant, en in Limburg).

Bij regelmatige overstroming met slibrijk en basenrijk oppervlaktewater bevat de bodem een kationadsorptiecomplex met hoge adsorptiecapaciteit (CEC) dat periodiek wordt verzadigd met basen. Buiten de inundatieperiode ligt de pH dan in het zwakzure bereik, doordat bij hoge basenverzadiging de uitwisseling van H+ tegen basische kationen snel verloopt. Vervalt de periodieke aanvoer van basen via overstroming of worden de tussenliggende perioden langer, dan zal de basenverzadiging verder dalen en de kationuitwisseling minder snel verlopen. De pH wordt dan op een lager niveau gebufferd. Bij een pH lager dan 4 speelt kationuitwisseling geen rol meer.

Bij aanwezigheid van bicarbonaatrijk grondwater in de wortelzone wordt de pH gebufferd in het neutrale tot zwakzure bereik. (Sub)Regionaal grondwater is vaak bicarbonaatrijk, doordat het dieper gelegen kalkhoudende lagen doorstroomd heeft (zie hierboven, vergelijking [2-8]). Het is daarbij ook verrijkt met kationen, zodat in perioden met kwel of capillaire opstijging het adsorptiecomplex met basen verzadigd wordt. In perioden waarin geen kwel optreedt, wordt het aanwezige bicarbonaat verbruikt en neemt kationomwisseling met het adsorptiecomplex de bufferende werking over.

Ook lokaal kwelwater afkomstig uit kanalen, wateraanvoersloten of polders met hoger peil is meestal bicarbonaatrijk en kationenrijk en lijkt daarin op (sub)regionaal grondwater. Meestal is het ook weinig natuurlijk, wat zich bijvoorbeeld uit in verhoogde gehalten aan Cl-, Na+ en K+.

Waar het freatisch pakket op enige diepte kalkhoudend materiaal bevat komen ook lokale grondwatersystemen met bicarbonaatrijk en calciumrijk grondwater voor. Afhankelijk van de diepte van de kalk kunnen zulke systemen hard tot extreem hard grondwater leveren. Standplaatsen die door dit basenrijke lokale water gevoed worden, worden in het neutrale tot zwak zure bereik gebufferd. Plaatsen waar het freatisch pakket kalkrijk materiaal bevat komen o.a. voor in zuidelijk Limburg, het midden en westen van Brabant, de Gelderse Achterhoek, Twente en Salland.

Ontbreekt kalk in de doorstroomde pakketten, dan zal de pH in lokale kwelgebieden op een lager niveau gebufferd worden. In lemige bodems zal de pH in het zwak tot matig zure bereik liggen, in uitgeloogde zandbodems tot in het zure bereik.

De invloed van redoxprocessen op buffering in de bodem
Naast buffering is ook de redoxtoestand van de bodem belangrijk voor de pH in de bodem. Bij diverse reductieprocessen wordt namelijk bicarbonaat gevormd. De motor voor deze reductieprocessen is organisch materiaal in de bodem. Naarmate de redoxpotentiaal in de bodem daalt, treedt achtereenvolgens een aantal reacties op.

Het verbruik van zuurstof door oxidatie van organisch materiaal (hier weergegeven als CH2O) (mineralisatie):
                CH2O(s) + O2 → CO2 + H2O

Bij hoge grondwaterstanden is de beschikbaarheid van atmosferische zuurstof als oxidator zeer beperkt. Dan worden andere oxidatoren in de bodem gereduceerd. De oxidatie van organisch materiaal door zuurstof wordt gevolgd door het in oplossing gaan van mangaan:
                2MnO2(s) + CH2O + 3H2CO3 → 2Mn2+ + 4HCO3- + 2H2O                               

Afhankelijk van de pH treedt min of meer tegelijkertijd denitrificatie op:
                5CH2O(s) + 4NO3- → H2CO3 + 4HCO3- + 2N2 + 2H2O

 Vervolgens treedt vergisting van organisch materiaal op:
                (CH2O)n(s) → (CH2O)n-2 (s) + CH3COOH

Vervolgens gaat ijzer in oplossing. IJzerhydroxiden komen in de bodem voor in vele vormen die enorm verschillen in stabiliteit. IJzer kan daardoor over een groot traject van de redoxpotentiaal in oplossing gaan:
                4Fe(OH)3(s) + CH2O + 7H2CO3 → 4Fe2+ + 8HCO3- + 10H2O                       

Vervolgens zal sulfaatreductie optreden. Gezien de reactieproducten bij sulfaatreductie ligt de redoxpotentiaal bij dit proces nagenoeg vast. Enige ‘speling' is mogelijk ten gevolge van concentratieniveaus:
                2CH2O + SO42- → H2S + 2HCO3-                                                                                    

Ten slotte treedt methaanproductie op
                2CH2O → CH4 + CO2                                                                                                       

Bij het in oplossing gaan van mangaan en ijzer wordt het zwakke zuur H2CO3 verbruikt en bicarbonaat gevormd. Bij denitrificatie en sulfaatreductie wordt bicarbonaat gevormd.

Doordat minerale bodems en kleiige veenbodems meestal rijk zijn aan ijzerhydroxiden, vertegenwoordigt reductie van ijzerhydroxide hier een grote capaciteit aan zuurbuffering. In klei- of leemarme veenbodems is het gehalte aan ijzerhydroxide meestal lager, afhankelijk van de kwaliteit van het grondwater waarin het veen gevormd is.

In (periodiek) vernatte bodems met ijzerhydroxiden en veel organische stof wordt door reductie van Fe3+ naar Fe2+ veel bicarbonaat gevormd. Het Fe2+ verdwijnt via wegstromend grondwater of afstromend oppervlaktewater uit het systeem. Als er geen (periodieke) aanvoer optreedt via kwel of overstroming, zal het gehalte aan ijzerhydroxiden in de bodem afnemen en kan uiteindelijk complete ontijzering optreden. Bij reductieprocessen wordt dan geen bicarbonaat meer gevormd en de bodem zal volledig verzuren. Aangezien ijzer ook een belangrijke rol speelt bij het vastleggen van fosfaten en sulfiden, zijn zulke ontijzerde bodems zeer gevoelig voor fosfaateutrofiëring en sulfidetoxiciteit.

Ook in lokale kwelgebieden kan het water rijk zijn aan bicarbonaat als gevolg van reductie van Fe3+ onder invloed van opgelost organisch materiaal in het grondwater. Het grondwater kan oplosbaar organisch materiaal opnemen bij doorstroming van bodemlagen die rijk zijn aan organische stof. Dit gebeurt bijvoorbeeld bij doorstroming van een freatisch pakket met veel organische stof, zoals de Nuenen Groep in Noord-Brabant. Het kan zich ook voordoen bij infiltratie door een venige toplaag, zoals op de Peelhorst. Soms kan ook in zeer lokale systemen al gereduceerd water aanwezig zijn, bijvoorbeeld na als het water wegzijgt door een venbodem. Het lokale grondwater is in dit geval anaëroob en ijzerhoudend, wat te zien is aan het voorkomen van ijzerbacterievliesjes in de lokale kwelgebieden.

Literatuur:

 

Zoek via Natuurportal:kennis delen met Groen Kennisnet
help
Homepage
Home | Colofon | Print pagina
Zoek binnen deze website