Lokalisering van mineraliseerbare koolstofpools in de bodemmatrix aan de hand van X-stralen tomografie

Masterproef Lokalisering van mineraliseerbare koolstofpools in de bodemmatrix aan de hand van X-stralen tomografie Studiegebied Industriële wetenschappen en technologie Opleiding Master in de industriële wetenschappen: Milieukunde

Academiejaar 2009-2010

Bram Hantson

Howest – departement Academische Bachelor- en Masteropleidingen, Graaf Karel de Goedelaan 5, 8500 Kortrijk

VOORWOORD

Allereerst zou ik graag mijn mentor ir. Liesbeth Bouckaert willen bedanken voor het ten volle ondersteunen van mijn praktische werk, het minuscuul nalezen van mijn thesis en de vele suggesties die ik heb gekregen. Ik hoop van harte dat dit werk een bijdrage mag leveren aan haar doctoraat. Vervolgens gaat mijn dank uit naar Dr. ir. Steven Sleutel voor de praktische begeleiding van mijn thesis en de theoretische ondersteuning. Graag zou ik zowel Prof. Dr. ir. Stefaan De Neve als Dr.ir. Steven Sleutel willen bedanken omdat ik mijn thesis mocht doen aan de vakgroep Bodembeheer en Bodemhygiëne van de faculteit Bio-ingenieurswetenschappen van de Universiteit Gent. Verder had ik ook graag mijn dankwoord gericht aan mijn promotor aan de Hogeschool West-Vlaanderen. Zodoende gaat mijn dank uit naar ing. Katelijne Velghe voor de professionele begeleiding en het bijsturen van de thesis. Ook dank ik Prof. Dr. ir. Guy Maes voor het overnemen van de begeleiding tijdens de afwezigheid van Mevrouw Katelijne Velghe. Ten slotte wens ik iedereen te bedanken die mij op een of andere manier geholpen heeft tijdens deze thesis, zowel mentaal als fysisch. Hierbij reken ik in de eerste plaats mijn ouders en naaste familieleden, maar ook medestudenten waaronder Andy waarmee ik regelmatig naar Gent spoorde.

I

A B S T R AC T

The goal of this study was to investigate the influence of pore space distribution in the soil matrix on the carbon mineralisation rate. The investigation and optimization of some techniques (X-ray tomography in combination with gas chromatography) was also an important part of this work. The carbon mineralization was measured by GC with an ECD. Small soil samples were brought at 50 % and 75 % WFPS and incubated at 20 °C. The released CO2 was captured in airtight containers. CO2 could be sampled and injected in the GC device. The volume of the injected CO2 is directly related to the carbon mineralisation of the samples. After one month, the same soil samples were scanned by a CT-scanner. For every soil sample, the image layers were put together and quantified by several computer programs. As a result, water distribution in the pore network and pore space distribution in the soil matrix were determined. The data of the mineralisation experiment showed a faster mineralisation in soils with 75 % WFPS. High soil density seemed to have a negative influence on the mineralisation. According to the data obtained by the CT scans, there could be assumed that approximately 75 % of the pore space has an equivalent diameter between 180 and 1200 µm. An explanation is the resolution of the CT images (9,44 µm), the used filters and the class width. Pores smaller than 180 µm seem to be completely filled with soil moisture. Correlation coefficients were determined between pore volume and water distribution on the one hand, compared to carbon mineralisation on the other hand. This was done for each pore class. Most coefficients were negative, except for the largest pore class. The main reason is probably the good aeration in large pores, and anaerobic conditions in small pores.

II

I N H O U D S O P G AV E

VOORWOORD ......................................................................................................I ABSTRACT ......................................................................................................... II INHOUDSOPGAVE ............................................................................................III LIJST VAN GEBRUIKTE AFKORTINGEN .............................................................. V LIJST VAN FIGUREN ......................................................................................... VI LIJST VAN TABELLEN .................................................................................... VIII 1

INLEIDING ........................................................................................... 1

2

LITERATUURSTUDIE............................................................................. 3

2.1

Bodemsamenstelling ............................................................................ 3

2.1.1

Bodemtextuur ..........................................................................................3

2.1.2

Bodemstructuur .......................................................................................5

2.1.3

Bodem organische stof .............................................................................9

2.2

Meten van koolstofmineralisatie ........................................................ 15

2.2.1

Incubatie-experimenten .......................................................................... 15

2.2.2

CO2-metingen ........................................................................................ 16

2.3

X-stralen tomografie: beeldvorming en -verwerking ......................... 18

2.3.1

Principe van X-stralen tomografie ............................................................ 18

2.3.2

Contraststoffen ...................................................................................... 20

2.3.3

Bepalen van bodemeigenschappen door X-stralen tomografie .................... 21

3

MATERIAAL EN METHODEN ................................................................ 22

3.1

Testexperimenten .............................................................................. 22

3.1.1

Configureren van de gaschromatograaf.................................................... 22

3.1.2

Keuze van een representatief bodemvolume............................................. 24

3.1.3

Calibratie en testmetingen met het gaschromatografietoestel..................... 26

3.1.4

Optimalisatie van CT-beelden door een contraststof .................................. 29

3.2

Koolstofmineralisatie van onverstoorde bodemstalen ....................... 30

3.2.1

Bemonstering en voorbehandeling ........................................................... 30

3.2.2

Opstarten van de incubaties .................................................................... 33

3.2.3

Berekening van de mineralisatiesnelheid .................................................. 33

3.2.4

Totaal koolstof- en stikstofgehalte ........................................................... 34

III

3.2.5 3.3

Bepalen van de relevante stalen voor X-stralen tomografie ........................ 35 X-stralen tomografie: beeldvorming en -verwerking ......................... 36

3.3.1

Reconstructie van de beelden.................................................................. 36

3.3.2

Verwerking van de gereconstrueerde beelden........................................... 37

4

RESULTATEN....................................................................................... 44

4.1

Testexperimenten .............................................................................. 44

4.1.1

Variabiliteit van de respiratie bij verschillende bodemmassa’s..................... 44

4.1.2

Testmetingen met de gaschromatograaf .................................................. 45

4.1.3

Inhibitie van de C-mineralisatie door de contraststof kaliumjodide .............. 46

4.2

Koolstofmineralisatie van onverstoorde bodemstalen ....................... 47

4.2.1

Totaal koolstof- en stikstofgehalte ........................................................... 47

4.2.2

Algemene trend van de koolstofmineralisatie ............................................ 48

4.2.3

Effect van de bulkdichtheid op de koolstofmineralisatie.............................. 49

4.2.4

Effect van het vochtgehalte op de koolstofmineralisatie ............................. 50

4.3

Poriëngrootteverdeling en waterverdeling in de poriënruimte .......... 52

4.3.1

Variatie in poriëngrootteverdeling ............................................................ 52

4.3.2

Effect van de bodemvochtigheid op de waterverdeling in de poriën ............ 53

4.4

Relevante poriënklassen voor koolstofmineralisatie.......................... 54

5

DISCUSSIE ......................................................................................... 56

5.1

Testexperimenten .............................................................................. 56

5.2

Effect van vochtgehalte, organische stofgehalte en schijnbare dichtheid op de koolstofmineralisatie ................................................ 57

5.3

Poriëngrootteverdeling en waterverdeling in de poriënruimte .......... 58

5.4

Relevante porieklassen voor koolstofmineralisatie............................ 59

6

BESLUIT.............................................................................................. 61

7

BIBLIOGRAFIE.................................................................................... 63

BIJLAGE 1

STABILISATIE EN DESTABILISATIE VAN BOS ............................. 67

BIJLAGE 2

RESULTATEN VAN DE CO2 METINGEN.......................................... 68

IV

L I J S T V AN G E B R U I K T E AF K O R T I N G E N

∆tr ρ Apiek AGIV BOS C C CaSO4 CEC CO2 CT DB DP DB ECD GC HCl H 2O KI m M MO NaOH O2 pH PW rico ST TCD V Vinjectie Vcontainer v vr WFPS

Respiratieperiode Dichtheid Oppervlakte onder een piek op een chromatogram Agentschap voor Geografische Informatie Vlaanderen Bodem Organische Stof Concentratie Koolstof Calciumsulfaat; gips Cation Exchange Capacity Koolstofdioxide Computer Tomografie Bulkdensiteit Partikeldensiteit Droge bodem Electron Capture Detector Gaschromatografie Waterstofchloride Water Kaliumjodide Massa Molaire massa Micro-organismen Natriumhydroxide Dizuurstof Zuurgraad Watergehalte Richtingscoëfficiënt van de calibratiecurve Totale porositeit Thermal Conductivity Detector; katharometer Volume Volume lucht geïnjecteerd in het GC-toestel Volume van een luchtdichte container Snelheid Respiratiesnelheid Water Filled Pore Space

V

L I J S T V AN F I G U R E N

Figuur 2-1: het silicium tetrahedron (Mitchell, 1993) ..................................................... 4 Figuur 2-2: het aluminium octahedron (Mitchell, 1993).................................................. 4 Figuur 2-3: morfologie van verschillende soorten aggregaten met de respectievelijke drainage-eigenschappen (Engle et al., 1991) ............................................................. 6 Figuur 2-4: waterbalans van een bodem (Baert, 2010) .................................................. 8 Figuur 2-5: verdeling van BOS in zijn componenten (volgens Krull et al., 2004) ..............10 Figuur 2-6: conceptueel model van de componenten en reacties van CO2 omzettingen en CO2 stromingen in de bodem (Ryan, 2005) ..........................................................12 Figuur 2-7: schema van een industriële CT-scanner die wordt gebruikt voor bodemonderzoek (Weaver, 2002) ............................................................................18 Figuur 3-1: links het chromatogram voor, en rechts het chromatogram na optimalisatie van de GC-paramaters ............................................................................................23 Figuur 3-2: calibratiecurve van de testmetingen voor 0 tot 40 µg CO2 ............................28 Figuur 3-3: calibratiecurve van de testmetingen voor 0 tot 2,5 µg CO2 ...........................28 Figuur 3-4: omgeving van de bemonsteringsplaatsen ...................................................30 Figuur 3-5: Situering van de plaats van de bemonstering op een bodemkaart (AGIV, 2006) ....................................................................................................................31 Figuur 3-6: grootte van een aluminium cilinder, vergeleken met een afbreekmes ...........31 Figuur 3-7: overzicht van de proefopzet ......................................................................33 Figuur 3-8: CT-opstelling met links op de achtergrond de X-stralen bron, rechts op de voorgrond de X-stralen detector en onderaan in het midden de rotatietafel met daarop een te onderzoeken object ...........................................................................36 Figuur 3-9: links een ruwe afbeelding, rechts het gefilterde beeld .................................38 Figuur 3-10: een voorbeeld van een distance map .......................................................39 Figuur 3-11: de poriën op een beeldlaag na het scheiden door de ‘seperate objects’ functie...................................................................................................................40 Figuur 3-12: een 2D beeldlaag waarop de verschillende bodemcomponenten visueel zijn aangeduid........................................................................................................42 Figuur 3-13: equivalente diameter van de poriën in functie van de equivalente diameter van de porenecks (voor staal 4).................................................................43 Figuur 4-1: respiratiemetingen aan de hand van de NaOH captatiemethode op vier bodemkolommen met afnemende bodemmassa (220 g – 30 g – 12 g – 3 g) over 9 dagen....................................................................................................................44 Figuur 4-2: verloop van de C-mineralisatie in functie van de tijd voor verschillende KI concentraties .........................................................................................................46 Figuur 4-3: voor de 3 bemonsteringsplaatsen wordt links het koolstofgehalte, en rechts het stikstofgehalte weergegeven..............................................................................47 Figuur 4-4: de C/N verhouding voor de drie bemonsteringsplaatsen ..............................48

VI

Figuur 4-5: gemiddelde C-mineralisatie van de verschillende bemonsteringsplaatsen (P1, P2 en P3) en de aangelegde vochtgehaltes(50% en 75%) ..................................48 Figuur 4-6: gemiddelde C-mineralisatie van de verschillende bemonsteringsplaatsen bij 50% WFPS (logaritmische schaal)............................................................................49 Figuur 4-7: gemiddelde C-mineralisatie van de verschillende bemonsteringsplaatsen bij 75% WFPS (logaritmische schaal)............................................................................49 Figuur 4-8: gemiddelde van de C-mineralisatie voor bemonsteringsplaats 1 (logaritmische schaal) .............................................................................................50 Figuur 4-9: gemiddelde van de C-mineralisatie voor bemonsteringsplaats 2 (logaritmische schaal) .............................................................................................51 Figuur 4-10: gemiddelde van de C-mineralisatie voor bemonsteringsplaats 3 met staal 33 als aparte curve vanwege de uitzonderlijk hoge C-mineralisatie (logaritmische schaal) ..................................................................................................................51 Figuur 4-11: porositeit (> 9,44 µm) voor de drie bemonsteringsplaatsen, bepaald door analyse van de CT data...........................................................................................52 Figuur 4-12: verdeling van het poriënvolume per poriënklasse voor 50 % WFPS en 75 % WFPS ................................................................................................................53 Figuur 4-13: verdeling van het bodemvocht in de verschillende poriënklassen voor 50 % WFPS en 75 % WFPS .........................................................................................54 Figuur 4-14: correlaties tussen de poriënvolumeverdeling per poriënklasse en de gestabiliseerde C-mineralisatie in functie van de poriënklasse volgens de equivalente diameter................................................................................................................55 Figuur 4-15: correlaties tussen het watergehalte per poriënklasse en de gestabiliseerde C-mineralisatie in functie van de poriënklasse volgens de equivalente diameter ...........55

VII

L I J S T V AN T AB E L L E N

Tabel Tabel Tabel Tabel Tabel

3-1: 3-2: 3-3: 3-4: 4-1:

Instellingen van het GC toestel om CO2 te meten ........................................ 24 Incubatieparameters voor de bodemmassa’s .............................................. 25 Incubatieparameters voor de bodemmassa’s .............................................. 27 Incubatieparameters voor de bodemmassa’s .............................................. 29 Resultaten van de CO2-testmetingen door middel van gaschromatografie...... 45

VIII

1 INLEIDING

‘Bodem organische stof (BOS) is de centrale bepalende factor voor de bodemvruchtbaarheid en bodemkwaliteit, en speelt bovendien een belangrijke rol in de koolstofcyclus’ (Bouckaert et al., 2009). Een belangrijk internationaal vraagstuk is het zoeken naar oplossingen om de CO2 uitstoot te verminderen. Dit gebeurt in het kader van het Kyotoprotocol ter reductie van de uitstoot van broeikasgassen. Bodemrespiratie enerzijds, en fixatie van CO2 in de bodem anderzijds, zijn twee belangrijke onderdelen van de algemene koolstofcyclus. Er is een constante uitwisseling van koolstof tussen atmosfeer en bodem. Het onderzoek naar de mechanismen kan bijdragen tot het vinden van oplossingen om CO2 permanent te transfereren van de atmosfeer naar de aardkorst. BOS kan dus beschouwd worden als een deel van het CO2-probleem, maar evenzeer als een deel van de oplossing. Zeer belangrijk zijn ook de omzettingen van BOS, en de daaraan gelinkte beschikbaarheid van nutriënten. Dit heeft een grote invloed op de opbrengst van gewassen. Vooral voor landen met een voedseldeficit kan de kennis hieromtrent van groot belang zijn, maar ook voor de intensieve groenteteelt in Vlaanderen. Het bepalen van de mineralisatie van de BOS over verschillende poriëndiameters kadert in een breder onderzoek, namelijk het achterhalen van de complexe interacties tussen bodemstructuur en BOS welke controle uitoefenen op de afbraak. Bodem organische stof wordt in meer of mindere mate beschermd tegen mineralisatie door micro-organismen (MO). Gezien het belang van BOS is het belangrijk om deze beschermingsmechanismen beter te begrijpen. Deze masterproef had tot doel om het tot nog toe beperkt onderzochte verband tussen de poriënstructuur en de afbraak van de BOS te bestuderen. De huidige gebrekkige kennis van deze materie stroomt voort uit de tot op heden beperkte mogelijkheden om bodemstructuur, en met name de poriënstructuur, in onverstoorde omstandigheden te bestuderen. Nieuwe technologieën, zoals de recente ontwikkelingen in het gebruik van nano X-stralen (computer) tomografie (nano CT) binnen de bodemkunde maken het mogelijk om de onverstoorde poriënruimte in 3D te bestuderen en kwantificeren. Deze technologie die voorhanden is aan het ‘Centre for X-ray tomography’ van de Universiteit Gent werd in deze masterproef aangewend tot bovenvermeld doel, in combinatie met een gedetailleerd incubatie-experiment voor de opvolging van BOS afbraak.

1

In de literatuurstudie (hoofdstuk I) wordt de bestaande literatuur over bodemstructuur, poriën, incubatie-experimenten en X-stralen tomografie vergeleken en samengevat. Hoofdstuk II behandelt de toegepaste X-stralen CT opstelling en software voor CT volumeverwerking, methoden voor de bepaling van CO2 vrijstellingen uit onverstoorde bodemkolommen en de toegepaste gegevensverwerking. Hoofdstuk III geeft vooreerst de resultaten weer van de uitgevoerde testexperimenten. Daarna volgt een beschrijving van de resultaten van een in detail uitgevoerd incubatie experiment met 36 onverstoorde bodemstalen. De discussie volgt in Hoofdstuk IV.

2

2 L I T E R AT U U R S T U D I E

2.1 Bodemsamenstelling De bodem is een complexe matrix bestaande uit vaste, vloeibare en gasvormige bestanddelen. Het vast gedeelte van de bodem is de minerale matrix, met daartussen bodem organische stof (BOS). De overige ruimte wordt ingevuld door het bodemwater en de bodemlucht. Deze drie fasen vertonen onderlinge interacties.

2.1.1 Bodemtextuur De minerale bestanddelen van een bodem worden geklasseerd volgens de grootte en de vorm van de partikels. Op grond hiervan hoort volgens het internationaal Atterbergsysteem een mineraal bodemdeeltje bij de zandfractie, leemfractie of kleifractie. Meer specifiek wordt er een onderscheid gemaakt tussen volgende deeltjesklassen (White, 2006): -

-

zandfractie (> 20 µm diameter)
grind (> 2 mm diameter)
grof zand (2000 – 200 µm diameter)
fijn zand (200 – 20 µm diameter) leemfractie (20 – 2 µm diameter) kleifractie (< 2 µm diameter)

Een bodem bestaat uit een zeker gehalte van elk van deze deeltjesklassen. Samen vormen ze de textuur van een bodem. Vooral mineralen die tot de kleifractie behoren, worden verder ingedeeld volgens chemische eigenschappen, aangezien klei een grotere invloed heeft op chemische processen in de bodem dan leem en zand. Deze chemische invloed is afkomstig van een grotere oppervlakte/volume verhouding en ladingen aan het oppervlak van kleimineralen. Daarbij heeft klei ook de eigenschap om aggregaatvorming te bevorderen (zie 2.1.2.1 Aggregaten).

3

2 . 1 . 1 . 1 Z A N D - E N L E E MF R A C T I E Zand- en leemdeeltjes worden gevormd door verwering van moedergesteente. Deze deeltjes gelijken dus qua samenstelling sterk op het moedergesteente, uitgezonderd van enkele secundaire mineralen die gevormd zijn door verweringsinvloeden. Het grootste deel van de zand- en leemfractie bestaat uit silicaten zoals kwarts, en aluminiumsilicaten zoals veldspaat (Horton and William, 2004, White, 2006).

2.1.1.2 KLEIFRACTIE In tegenstelling tot leem of zand, bevat klei bijzondere chemische eigenschappen. De twee structurele onderdelen van een kleimineraal zijn het silicium tetrahedron (Figuur 2-1) en het aluminium octahedron (Figuur 2-2). In het silicium tetrahedron kan aluminium het centrale siliciumatoom vervangen. In het aluminium octahedron kan magnesium of ijzer het centrale aluminiumatoom vervangen. Deze twee structurele onderdelen kunnen nu gecombineerd worden tot een 1:1 laag of een 2:1 laag. Indien aluminium het silicium vervangt in het tetrahedron worden de vier zuurstofatomen over een zekere afstand uit de laag geduwd (Horton and William, 2004). Aluminium (Al3+) is namelijk een driewaardig positief kation, terwijl silicium (Si4+) een vierwaardig positief kation is. Hierdoor ontstaat er een negatieve lading aan het oppervlak van het kleimineraal (Ketterings et al., 2007). Het vervangen van aluminium in het octahedron door magnesium of ijzer heeft een gelijkaardig effect aan het oppervlak van het kleimineraal (Horton and William, 2004, White, 2006).

Figuur 2-1: het silicium tetrahedron (Mitchell, 1993)

Figuur 2-2: het aluminium octahedron (Mitchell, 1993)

4

De negatieve ladingen die ontstaan aan het oppervlak van het kleimineraal moeten worden geneutraliseerd door kationen uit de omgeving. De hoeveelheid kationen die een grond kan adsorberen wordt uitgedrukt door de Cation Exchange Capacity (CEC) (Horton and William, 2004). Hiermee moet er rekening gehouden worden bij het zoeken naar een contrastvloeistof voor CT-scans. De contrastvloeistof zal dus een neutrale of negatieve lading moeten bezitten (zie 2.3.2 Contraststoffen). Er dient wel opgemerkt te worden dat de bodem geen netto lading heeft. Er is een evenwicht tussen de negatieve oppervlakteladingen en de positieve ladingen van de kationen (Ketterings et al., 2007). In zeldzame gevallen kunnen er ook positieve ladingen aan het oppervlak van kleimineralen voorkomen, wat wordt uitgedrukt door de Anion Exchange Capacity (AEC). Het netto effect van de positieve ladingen is echter nihil vergeleken met de negatieve ladingen (White, 2006). Door de grote hoeveelheid aan combinatiemogelijkheden tussen de tetrahedra en de octahedra, en de wijze waarop centrale atomen worden vervangen door andere atomen, worden kleimineralen nog verder ingedeeld in: kaolien, mica, vermiculiet, smectiet, chloriet en andere kleimineralen die niet structureel gelaagd zijn (Horton and William, 2004). Elk mineraal heeft ook nog specifieke eigenschappen met betrekking tot de verdeling van de oppervlakteladingen (White, 2006).

2.1.2 Bodemstructuur De bodemstructuur kan grofweg in drie groepen verdeeld worden: een korrelige structuur, een aggregaatstructuur en een massieve structuur. Bij een korrelige structuur klitten de bodemdeeltjes amper samen en zijn er tussen de deeltjes veel macroporiën aanwezig. Dit komt regelmatig voor bij zandbodems. Bij een aggregaatstructuur klitten deeltjes samen tot grotere structurele eenheden. Een kleine hoeveelheid aan klei of humus (zie 2.1.3.1 Samenstelling van bodem organische stof) bevordert reeds sterk de aggregaatvorming in een bodem. In een aggregaatbodem zijn er tussen de aggregaten vooral macroporiën aanwezig, terwijl in de aggregaten zelf vooral microporiën aanwezig zijn. Bij een massieve structuur klit vrijwel de volledige bodem aan elkaar vast, zoals bij zware kleibodems (Horton and William, 2004).

5

2.1.2.1 AGGREGATEN Aggregaten zijn structurele eenheden in de bodem die worden gevormd door externe fysische of biologische factoren. Zonder deze factoren zou de bodem door de entropie willekeurig opgebouwd zijn zonder enige structuur (White, 2006). Aggregaten kunnen korrelig, granulair, gelaagd, geblokt, prismatisch of massief voorkomen (Horton and William, 2004). Deze structuren zijn te zien op Figuur 2-3. Aggregaten worden onderverdeeld in microaggregaten (1 à 2 µm tot 250 µm diameter) en macroaggregaten (> 250 µm diameter) (Carter and Stewart, 1996). De oorzaken van aggregaatvorming zijn enerzijds microbiële en biologische activiteit, en anderzijds de chemische eigenschappen van klei en humus. Bepaalde bodemorganismen scheiden namelijk stoffen uit die bodemdeeltjes aan elkaar doen kleven. Klei en humus hebben negatieve oppervlakteladingen, waardoor bij toevoegen van meerwaardige positieve ionen zoals Ca2+ deze bodemdeeltjes elkaar aantrekken en aan elkaar gebonden worden (Baert, 2009a, Sleutel et al., 2006). Aggregaatvorming heeft voordelen voor allerhande processen die zich in de bodem afspelen (White, 2006). Aggregaatvorming heeft namelijk invloed op de poriënvorming en de beschikbaarheid van zuurstof, water en organische stoffen; zowel voor planten als voor micro-organismen. Figuur 2-3 geeft de drainage weer bij verschillende soorten aggregaten. Door de vorm en de positionering van aggregaten kan water snel of traag draineren.

Figuur 2-3: morfologie van verschillende soorten aggregaten met de respectievelijke drainage-eigenschappen (Engle et al., 1991)

6

2.1.2.2 PORIË N De poriënruimte omvat het volledige volume in de bodem dat niet wordt ingenomen door vaste bodembestanddelen. Poriën bevatten ofwel lucht, ofwel water. De poriënmorfologie en poriënverdeling zijn vooral afhankelijk van (1) de grootte en vorm van de bodempartikels, (2) bodemtextuur, (3) bodemvochtigheid, (4) aggregaatvorming, (5) vegetatie en (6) koolstofdynamiek (Horton and William, 2004, De Gryze et al., 2006, White, 2006). Er wordt een onderscheid gemaakt tussen de effectieve poriën en de ‘porenecks’. De porenecks zijn de kanalen die de poriën met elkaar doen verbinden, en vormen zo de poriënmatrix doorheen de bodem. Bij een stapeling van grote bodemdeeltjes, zal de tussenliggende poriënruimte groter zijn dan wanneer kleine bodemdeeltjes worden gestapeld. Aangezien de bodemtextuur een combinatie is van zowel grote als kleine bodemdeeltjes zijn er zowel grote als kleine poriën te vinden in bodems. De rol van het vochtgehalte is vooral groot bij bodems met een groot aandeel aan klei. Klei heeft namelijk de eigenschap om op te zwellen bij vochtopname en te krimpen bij uitdroging (White, 2006). Door aggregaatvorming ontstaan er grote poriën tussen de aggregaten. In de aggregaten zijn er vooral kleine poriën te vinden (Horton and William, 2004). De invloed van de vegetatie op de poriënvorming heeft te maken met het penetrerend vermogen van wortels. Ook zal afstervend BOS afkomstig van planten omgezet worden met eventueel vorming van CO2. Door deze CO2-vorming ontstaat er een druk in de reeds bestaande poriën zodat deze expanderen. Door het verdwijnen van BOS wordt er extra poriënruimte gevormd (De Gryze et al., 2006). Bodemwater Het -

bodemwater is een belangrijk dynamisch onderdeel van de bodem (Bardgett, 2005): het is een oplosmiddel voor vele nutriënten; het zorgt voor de aan- en afvoer van nutriënten; het is essentieel voor de groei van vrijwel alle bodemorganismen; het is de enige beschikbare waterbron voor planten; het zorgt voor de verwering van het moedergesteente; het is essentieel voor de koolstofdynamiek; bij verzadiging beschermt het de bodem organische stof tegen afbraak door microorganismen vanwege de anaerobe condities.

7

Afhankelijk van de verhouding tussen precipitatie, evapotranspiratie en infiltratie is een bodem verzadigd of onverzadigd met water. Deze drie processen bepalen de waterbalans van een bodem (zie Figuur 2-4). Een bodem bij veldcapaciteit bevat een hoeveelheid water die achterblijft nadat uit een verzadigde bodem het overtollige water grotendeels is uitgezakt. Deze toestand wordt bereikt 1 à 2 dagen na overvloedige neerslag en komt kwantitatief overeen met een capillaire zuigkracht gelijk aan een onderdruk van 10 tot 30 kPa (Baert, 2009b). Bij een onverzadigde bodem op veldcapaciteit wordt er na neerslag een onderscheid gemaakt tussen het infiltratiewater, het beschikbare hangwater, en het residueel water. Het infiltratiewater is het deel van het water dat direct draineert doorheen de bodemmatrix. Het beschikbare hangwater is het deel van het water dat na drainage door de adhesie met de bodempartikels achterblijft in de middelgrote poriën. Dit deel is ook beschikbaar voor opname door de vegetatie. Het residueel water is het deel van het water dat in de kleinste poriën achterblijft en niet opgenomen kan worden door de vegetatie.

Figuur 2-4: waterbalans van een bodem (Baert, 2010)

Grote poriën draineren sneller dan kleine poriën Dit blijkt uit volgende poriënclassificatie volgens hydraulische eigenschappen (Greenland, 1981): - poriën met een snelle drainage: diameter van 5000 – 500 µm, gevormd door wormen en plantenwortels; - poriën met normale drainage: diameter van 500 – 30 µm, gevormd door kleine mesofauna en wortels van kleine planten; - poriën met beschikbaar hangwater: diameter van 30 – 0,2 µm, gevormd door wortelhaartjes en hyphae van schimmels; - poriën met residueel water: diameter van < 0,2 µm, gevormd door het uitzetten en inkrimpen van klei onder invloed van water.

8

Uit deze classificatie blijkt dat grotere poriën sneller draineren onder invloed van de zwaartekracht dan kleinere poriën. Dit heeft zijn consequenties voor de omzettingen van BOS, aangezien micro-organismen bodemwater nodig hebben. Hierbij dient er wel opgemerkt te worden dat de poriëndiameter niet de enige factor is die de drainage bepaalt. Even belangrijk is de diameter van de porenecks. De drainage van bodemvocht uit een porie is afhankelijk van de grootste poreneck gelinkt aan die porie. Een concrete classificatie volgens de diameter van de porenecks is reeds beschreven door Strong et al. (2004). Bodemlucht Bij onverzadigde bodems zijn de poriën die niet gevuld zijn met water, gevuld met lucht. De bodemlucht heeft een andere samenstelling dan de lucht in de troposfeer. Door de bodemrespiratie is de CO2-concentratie in bodems hoger dan in de troposfeer. Er is ook een constante uitwisseling van gassen tussen troposfeer en bodem. CO2 gaat over van de bodem naar de troposfeer, terwijl voor O2 het omgekeerde gebeurt. Deze uitwisseling van gassen gebeurt door diffusie. Door deze uitwisseling komt de CO2-concentratie in bodems niet hoger dan 1,5 %. Daar tegenover staat dat de concentratie CO2 in de troposfeer ongeveer gelijk is aan 0,04 % (White, 2006). Het belang van de onderlinge uitwisseling van gassen doorheen de bodem is groot. Hierdoor ontstaan er namelijk aerobe en anaerobe plaatsen in de bodemmatrix. Dit is bepalend voor de plaats en de manier waarop reacties en omzettingen in de bodem doorgaan.

2.1.3 Bodem organische stof Bodem organische stof (BOS) is essentieel voor de bodemvruchtbaarheid. Het is de primaire energiebron voor micro-organismen (MO) in de bodem. Afhankelijk van de bodemstructuur wordt BOS snel of traag door de MO omgezet tot nutriënten, CO2 en H2O. Deze nutriënten zijn op hun beurt essentieel voor planten en andere organismen. BOS heeft een stabiliserende en neutraliserende invloed op de bodemmatrix. Net als klei heeft BOS een hoge cation exchange capacity (CEC) waardoor kationen gebonden en uitgewisseld kunnen worden met het bodemwater (Ketterings et al., 2007). Verder is de waterbergende capaciteit van BOS zeer groot en verliest het traag het opgenomen water.

9

2 . 1 . 3 . 1 S A ME N S T E L L I N G V A N B O D E M O R G A N I S C H E S T O F BOS bestaat uit talloze organische verbindingen, zoals koolhydraten, aminozuren, eiwitten, lipiden, humuszuren, metabolieten… Ook dode en levende organismen behoren tot die groep. De hoeveelheid en de samenstelling van BOS in een bodem is vooral afhankelijk van de wijze waarop BOS wordt afgebroken. Volgende factoren hebben een invloed op de samenstelling van de BOS: (1) bodemtextuur en -structuur, (2) zoutgehalte, (3) zuurgraad, (4) helling, (5) vegetatie, (6) plaatselijke klimaat en (7) bodembeheer (Carter and Stewart, 1996, Bot and Benites, 2005). BOS kan onderverdeeld worden in: - levende organische componenten, namelijk alle micro- en macro-organismen; - afbreekbare organische stoffen, namelijk al het afstervende plantaardig en dierlijk materiaal dat afbreekbaar is door micro-organismen; - gestabiliseerd materiaal zoals humus dat uitermate traag afgebroken wordt. Figuur 2-5 toont de verhoudingen van de verschillende BOS componenten in de bodem.

Organisch materiaal in ontleding (33% - 50%)

Vers organisch residu (<10%)

Gestabiliseerd organisch materiaal (33% - 50%)

Levende organismen (<5%)

Figuur 2-5: verdeling van BOS in zijn componenten (volgens Krull et al., 2004)

De afbreekbare fractie van BOS bestaat voornamelijk uit biopolymeren zoals cellulose en lignine. Grote polysachariden hebben een stabiliserende invloed op de bodem. De rest van de afbreekbare fractie bestaat vooral uit diverse koolhydraten, lipiden, aminozuren en verschillende koolstof- en stikstofhoudende bestanddelen (Bot and Benites, 2005). De tijd om een stof af te breken varieert van minder dan een dag voor monomere koolhydraten tot enkele jaren voor lignine.

10

Humus is de naam voor alle complexe, resistente organische stoffen in de bodem die door microbiologische afbraak zijn ontstaan. Humus bestaat uit volgende chemische verbindingen (Bot and Benites, 2005): - fulvozuur heeft een lichte geel-bruine kleur en is zowel in zuur als in basisch milieu goed oplosbaar in water; - humuszuur heeft een donkerbruine kleur en is onoplosbaar in water bij een zuurgraad van minder dan 2; - humine heeft een zwarte kleur en is zowel in zuur als in basisch milieu onoplosbaar in water. Humus heeft een aggregaatvormende, waterbergende en bufferende functie (Bellows, 2001). Volgens Bot en Benites (2005) bestaat 40 tot 60 % van de totale BOS uit humus, maar volgens Bellows (2001) is dit 70 tot 90 %. Dit toont aan dat er variaties merkbaar zijn tussen verschillende bodemsoorten.

2. 1. 3. 2 MINER ALISATIE, SEKW ESTRATIE EN I M MOBILI SA TIE Koolstofmineralisatie (C-mineralisatie) is het afbreken van organische moleculen tot eenvoudiger moleculen zodat deze beschikbaar worden voor opname door planten. Koolstofsekwestratie (C-sekwestratie) is het vastleggen van koolstof in organisch materiaal, voornamelijk plantaardig van aard. Koolstofimmobilisatie is het vastleggen van koolstof in de bodem als recalcitrante verbindingen, voornamelijk onder de vorm van humus. In deze thesis wordt er vooral gefocust op de C-mineralisatie. De mineralisatie van complexe organische moleculen naar eenvoudige moleculen is essentieel voor de vegetatie, omdat deze enkel kleinere moleculen kunnen opnemen via de wortels. Het gevormde CO2 is ook van belang. Van het mineraliseerbare deel van de BOS wordt koolstof voor ongeveer de helft vrijgelaten onder de vorm van CO2, en voor de andere helft opgenomen door de wortels onder de vorm van nutriënten (White, 2006). Van de totale CO2 die wordt gevormd in de bodem komt maar de helft uit microbiologische afbraakprocessen. De andere helft van de CO2 is afkomstig van de respiratie van mycorrhiza en planten via de wortels (Ryan and Law, 2005). Op Figuur 2-6 is te zien dat er sprake is van autotrofe respiratie door mycorrhiza en planten, en heterotrofe respiratie door MO. Op deze figuur is ook duidelijk te zien dat de MO in de bodem een centrale rol spelen in de koolstofcyclus.

11

Figuur 2-6: conceptueel model van de componenten en reacties van CO2 omzettingen en CO2 stromingen in de bodem (Ryan, 2005)

De mineralisatie van BOS gebeurt vooral door MO. Fysische of chemische afbraak gebeurt ook, maar in veel kleinere mate. Om een goede afbraak door microbiologische activiteit te verkrijgen moet er aan bepaalde voorwaarden betreffende de aanwezigheid van O2 worden voldaan. Deze voorwaarden zijn afhankelijk van de wijze waarop de afbraakprocessen verlopen, namelijk op aerobe wijze (respiratie) of op anaerobe wijze (fermentatie). Aerobe afbraak van organische stoffen komt voor op plaatsen in de bodem waar O2 aanwezig is. Dit wil zeggen dat aerobe afbraak niet zal plaatsvinden in poriën die geen O2 bevatten. Dit kan het geval zijn bij poriën die volledig gevuld zijn met bodemwater of poriën die gevuld zijn met andere gassen. Bij aerobe afbraak fungeert zuurstof als de elektronenacceptor. Anaerobe afbraak gebeurt op plaatsen in de bodem waar er absoluut geen zuurstof aanwezig is, zoals in watergevulde poriën. Er zijn veel moleculen die kunnen fungeren als elektronenacceptor, zoals NO3-, SO42- en MnO2 … (White, 2006). Het nadeel van anaerobe afbraak tegenover aerobe afbraak is het veel lagere energierendement. Er moet meer substraat worden gemetaboliseerd om een bepaalde hoeveelheid energie te verkrijgen. Anaerobe afbraakproducten kunnen vaak nog verder worden afgebroken op een aerobe manier. De significantie van anaerobe afbraak van BOS is zeer laag in vergelijking met de aerobe afbraak van BOS. De focus van het praktische deel van deze thesis zal dus liggen op de aerobe afbraak van BOS, vooral omdat stabiliseringsmechanismen van BOS geen invloed hebben op de anaerobe afbraak.

12

2.1.3.3 BESCH ER MING EN STA BI LISERING VAN B ODE M O RGANI SCHE STOF Er bestaan drie theorieën voor de stabilisatie van BOS (Sollins et al., 1996): - recalcitrantie - interacties - beschikbaarheid Deze drie stabiliseringsmechanismen worden schematisch weergegeven in Bijlage 1. Recalcitrantie Recalcitrantie van BOS heeft betrekking op de chemische structuur van een stof. De chemische samenstelling van BOS componenten is van groot belang voor de afbraaksnelheid. Zoals aangehaald in 2.1.3.1 Samenstelling van bodem organische stof wordt er een onderscheid gemaakt tussen de afbreekbare fractie en de resistente fractie. Resistente organische stoffen zoals humus worden gevormd door de immobilisatieprocessen in de bodem. Toch zitten er nog grote verschillen op de afbraaksnelheden van de afbreekbare componenten. Om de recalcitrantie van een organische stof te kennen wordt er vaak gebruik gemaakt van de C/N verhouding van organisch materiaal (Bot and Benites, 2005). Indien de C/N verhouding te hoog is, zoals bij stro en bladeren, zal er in het celmateriaal van de MO vooral immobilisatie van stikstof zijn, waardoor het afbraakproces trager zal verlopen en stikstof niet meer door planten opgenomen kan worden. Indien de C/N verhouding te laag is, zoals bij grasmaaisel, ontstaat er accumulatie van ammonium en nitraat in de cellen van de MO. Het gevolg is het (deels) afsterven van de microbiële populatie. Uit studies blijkt echter dat de C/N verhouding niet altijd adequate informatie biedt over de mineralisatie- en imobilisatiekinetiek van BOS. Daarom zijn er nieuwe criteria ontwikkeld, zoals het onderscheiden van hemicellulose-, cellulose- en lignineachtige componenten (Thuries et al., 2002). Interacties Interacties ontstaan enerzijds tussen BOS en de bodemmatrix, en anderzijds tussen BOS onderling. BOS kan op verschillende manieren binden aan de bodemmatrix. BOS heeft – nog meer dan kleimineralen – een sterke affiniteit voor kationen. Hierdoor ontstaan er veel interacties tussen BOS en kationen (Sleutel et al., 2008, Sollins et al., 1996). Waterstofbruggen en Van Der Waals krachten hebben ook een (kleinere) invloed op deze interacties (Sollins et al., 1996). Dit heeft als gevolg dat BOS sterk gebonden kan worden aan de kleifractie van een bodem. Daarbij produceren MO polysachariden die kunnen fungeren als lijm tussen de BOS en de bodempartikels (Sollins et al., 1996). Mineralisatie van gebonden BOS verloopt trager dan mineralisatie van ongebonden BOS.

13

Beschikbaarheid Beschikbaarheid kan op twee manieren bekeken worden: enerzijds beschikbaarheid van BOS voor MO en anderzijds beschikbaarheid van groeifactoren voor MO. BOS kan ontoegankelijk zijn voor MO door inkapseling in bodemaggregaten. Hierdoor ontstaat er een barrière tussen de BOS en de MO. De afbraak van organische stoffen kan alleen doorgaan op plaatsen waar het fysisch mogelijk is voor MO om in te migreren en te groeien. Poriën en porenecks in micro-aggregaten zijn vaak te klein voor MO. Doorheen kleine porenecks (< 4 µm diameter) kunnen MO niet migreren, en is er een sterke afname van de C-mineralisatie (Strong et al., 2004). De kleinste poriën zijn vooral gevuld met residueel water waardoor er anaerobe condities gelden in deze poriën. Ook BOS die voorkomt in grotere poriën kan zo ontoegankelijk zijn voor MO als de toegang tot deze porie enkel bestaat uit zeer kleine porenecks. De globale heterogeniteit van bodems speelt ook een belangrijke rol bij de stabilisering van BOS. Door het al of niet beschikbaar zijn van groeifactoren op bepaalde plaatsen in de bodemmatrix, is er een heterogene verdeling van verschillende soorten microorganismen in de bodem. Daardoor zal er op bepaalde plaatsen sneller of trager organische stof afgebroken worden (Gonod et al., 2003). Deze verschillen zijn reeds merkbaar op millimeterschaal. De belangrijkste groeifactoren zijn (1) aanwezigheid van afbreekbare organische stof, (2) beschikbaarheid van zuurstof, (3) beschikbaarheid van water, (4) niet te extreme zuurgraad en (5) niet te lage bodemtemperatuur (De Gryze et al., 2006). Het al of niet beschikbaar zijn van een groeifactor is vooral afhankelijk van de bodemstructuur. In het bijzonder is de beschikbaarheid van water en zuurstof afhankelijk van de poriënverdeling en aggregaatvorming in de bodem. Volgens Sleutel et al. (2008) vindt een aanzienlijke microbiële activiteit plaats in de middelgrote poriën. De reden zou zijn dat er zowel voldoende H2O als voldoende O2 aanwezig is in deze poriën. Volgens Linn and Doran (1984) is de microbiële activiteit het grootst bij 60 % water filled pore space (WFPS).

14

2 . 2 M e t e n va n k o o l s t o f m i n e r a l i s a t i e 2. 2. 1 I ncubati e-experi menten Bij incubatieproeven wordt in een gesloten container de respiratie van een gekende hoeveelheid bodem gemeten gedurende een bepaalde tijd bij constante temperatuur. Aangezien er tijdens de respiratie CO2 vrijkomt, verhoogt de CO2-concentratie in de afgesloten container. Door deze verhoogde CO2-concentratie te vergelijken met de achtergrondconcentratie in een blanco container kan de respiratiesnelheid bepaald worden, wat een maat is voor de microbiële activiteit van de bodem. Er zijn enkele zaken waarmee er rekening moet gehouden worden. Zo is het belangrijk dat er in een statisch systeem steeds voldoende O2 aanwezig is. Door het verbruik van O2 en de productie van CO2 worden incubatieproeven met statische systemen enkel aangeraden voor incubaties over een beperkte tijdspanne. De CO2-concentratie blijft best onder 2 %. Een gangbare verhouding tussen bovenliggend luchtvolume en bodemmassa is 10/1 (Weaver et al., 1994). Om de CO2 te bepalen kunnen er drie technieken gebruikt worden. Deze zijn beschreven in 2.2.2.2 CO2-metingen. Om watergehaltes te laten variëren tijdens labo-experimenten kan er worden geïncubeerd bij verschillende matrixpotentialen. Blijkbaar heeft het aanleggen van een gewijzigde negatieve matrixpotentiaal bij incubatieproeven slechts weinig invloed op het vochtgehalte bij bodems met eenzelfde textuur. Volgens Strong et al. (2004) is de variabiliteit van het natuurlijke vochtgehalte van bodems met een verschillende textuur groter dan het vochtverlies ten gevolge van een aangelegde matrixpotentiaal. Een andere methode om vochtgehaltes te laten variëren is het toevoegen van water aan luchtgedroogde bodemstalen. Deze methode heeft wel als risico dat de microbiële gemeenschap in de bodem voor een deel afgedood kan worden, afhankelijk van de wijze waarop de bodem eerst gedroogd wordt. Een belangrijk probleem dat zich tijdens incubaties kan stellen is de beperkte omvang van de stalen. In deze studie moet het mogelijk zijn de incubatiestalen na gaschromatografie in te scannen met X-stralen CT. De incubatiestalen moeten dus volumetrisch in de grootteorde liggen van enkele kubieke centimeters, zodat de gewenste resolutie van enkele µm kan behaald worden. Bij vrijwel alle incubatieproeven met bodems wordt er met grotere massa’s of volumes gewerkt, in de grootteorde van 100 cm3. Zo zijn er veel voorbeelden waarbij relatief grote bodemvolumes of bodemmassa’s werden geïncubeerd.

15

Uit een onderzoek waarin de degradatie van een herbicide werd geëvalueerd blijkt dat de snelheid van de afbraak niet wordt beïnvloed door kleinere incubatiestalen te gebruiken (Gonod et al., 2003). Dit is echter waar tot op een zeker niveau. Zoals reeds aangehaald in 2.1.3.3 Bescherming en stabilisering van bodem organische stof blijken er in bodems sterke variaties op de koolstofmineralisatie op te treden op millimeterschaal. Toch werden reeds specifieke respiratiemetingen op zeer kleine schaal uitgevoerd, waarbij de CO2 uit bodemstalen met een volume van minder dan 1 ml werd gemeten door een infrarooddetector (Kaufmann et al., 2006, Campbell et al., 2003).

2.2.2 CO2-metingen 2 . 2 . 2 . 1 P R I N C I P E V A N G A S C H R O MA T O G R A F I E ( G C ) Bij GC worden gasmengsels met een bepaalde samenstelling door een kolom met pakkingsmateriaal (stationaire fase) gestuurd, waarbij er een scheiding van de aparte gassen gebeurt. Deze gassen worden dan gemeten door een detector. Deze geeft dan voor iedere gascomponent een detectiepiek. Voor en na de injectie van het te analyseren gas is er een constante stroom van draaggas (mobiele fase) die door de kolom beweegt. Meestal is dit draaggas een inert gas, zoals helium of stikstof. De detector die tijdens het praktische deel gebruikt zal worden is de Electron Capture Detector (ECD) en behoort tot de familie van de ionisatiedetectoren. De ECD bestaat uit een radioactieve kathode met daar rond een cilindrische anode. De kathode is een 63Ni bron die β—straling (elektronen) uitzendt. De gevoeligheid van een ECD hangt af van de affiniteit voor elektronen van het binnenkomende gas (Thermo_Electron_S.p.a., 2005, Lipschitz et al., 2001, Zlatkis and Poole, 1981).

2 . 2 . 2 . 2 C O 2 - ME T I N G E N CO2 kan gemeten worden via: - titraties - gaschromatografie - infrarooddetectie CO2-metingen via titraties worden nog steeds veel toegepast (De Neve et al., 2003, Pulleman and Marinissen, 2004). Hoewel de titratiemethode betrouwbaar en degelijk is, wordt er steeds meer gebruik gemaakt van GC om de CO2 te bepalen (Doelsch et al., 2009, De Wever et al., 2004).

16

Indien CO2 wordt gemeten via GC, kan er zich een probleem voordoen met de aanwezige Electron Capture Detector (ECD). De ECD is in vergelijking met een Thermal Conductivity Detector (TCD) tot 1000 maal gevoeliger voor de analyse van gehalogeneerde koolwaterstoffen, en wordt in deze gevallen dan ook vaak gebruikt. Voor het meten van CO2 is het omgekeerde waar, en wordt er vrijwel altijd gebruik gemaakt van een TCD (Thermo_Electron_S.p.a., 2005). Volgens Zlatkis and Poole (1981) en Thermo Electron S.p.a. (2005) is de ECD niet aangeraden voor het detecteren van CO2. Dit komt door de lage elektronenaffiniteit van CO2 (Zlatkis and Poole, 1981, Thermo_Electron_S.p.a., 2005). Toch is er een zekere gevoeligheid voor CO2, en kan de detector dus gebruikt worden (Smith and Cresser, 2004). Deze detector is al gebruikt voor CO2-metingen, namelijk voor het meten van de bodemrespiratie in het Braziliaanse regenwoud (GarciaMontiel et al., 2004) en de Zuid-Duitse bossen (Reth et al., 2009). De gevoeligheid van een ECD voor CO2-detectie kan sterk verhoogd worden door diverse ingrepen. Zechmeister-Boltenstern (1994) beweert dat een ECD gebruikt kan worden om CO2 te meten, maar dat de temperatuur van de ECD ongeveer 250 °C moet zijn. Volgens Smith and Cresser (2004) moet de temperatuur van de ECD lager dan 270 °C zijn. Volgens Zechmeister-Boltenstein (1994) kan de gevoeligheid van de ECD detector stijgen door in plaats van stikstof een mengsel van argon met 5 % methaan te gebruiken als draaggas. Volgens Zlatkis and Poole (1981) wordt de ECD veel gevoeliger voor CO2 indien het N2-draaggas gedopeerd wordt met 100 ppm O2.

17

2 . 3 X - s t r a l e n t o m o g r a f i e : b e e l d vo r m i n g e n - ve r w e r k i n g 2 . 3 . 1 Pr i n c i p e va n X- s t r a l e n t o m o g r a f i e 2.3.1.1 OPBOUW VAN EEN CT-S CANNE R Het toestel dat gebruikt wordt voor X-stralen tomografie, ook wel computer tomografie (CT) genoemd, is de CT-scanner. Een CT-scanner bestaat voornamelijk uit volgende onderdelen (zie Figuur 2-7): - een generator om hoge spanningen op te wekken; - een röntgenbuis; - collimatoren om de stralen te bundelen en te richten; - detectoren voor de röntgenstraling; - de bijhorende elektronica om de beelden te genereren.

Figuur 2-7: schema van een industriële CT-scanner die wordt gebruikt voor bodemonderzoek (Weaver, 2002)

De generator moet voldoen aan bepaalde eisen zodat de uitgezonden straling van de röntgenbuis de resultaten zo weinig mogelijk manipuleert. Zo moet de gelijkspanning constant zijn met een zeer kleine rimpel. De buisstroom moet ook constant gehouden worden tijdens de werking (Dam et al., 1997). De röntgenbuis heeft dezelfde basisopbouw als andere vacuümdioden. Aan de ene kant van de buis is er een kathode aangebracht. De kathode zal door het aanbrengen van een hoogspanning gloeien, en elektronen emitteren. Aan de andere kant van de buis is er een anode aangebracht. De geëmitteerde elektronen van de kathode zullen aangetrokken worden door de positief geladen anode en dus versnellen. Eens de elektronen het anodemateriaal zijn binnengedrongen worden deze sterk afgeremd en wordt er röntgenstraling uitgezonden. De energie van de röntgenstraling komt overeen met de kinetische energie van de invallende elektronen. Door de sterke energieconversies in de anode wordt deze vaak roterend uitgevoerd om plaatselijke oververhitting te voorkomen (Dam et al., 1997, Weaver, 2002, Blachford, 2002).

18

Collimatoren worden geplaatst na de röntgenbuis en voor de detectoren. Deze richten de röntgenstralen zeer exact doorheen het doelobject naar de detectoren. Door de collimatoren wordt het divergeren van de straling tegengegaan en kan strooistraling de meting niet verstoren. De meest gebruikte detectoren bij CT-scanners zijn van het scintillatietype. De inkomende röntgenstraling valt in op een scintillatiekristal. Onder invloed van de röntgenstraling zal het kristal zichtbaar licht uitzenden (Dam et al., 1997). Het zichtbare licht kan dan worden gemeten door een elektronische beeldsensor. Veel gebruikte beeldsensoren zijn de charge-coupled device (CCD-chip) en de complementary metal oxide demiconductor (CMOS-chip) (Dierick et al., 2008).

2.3.1.2 W ERKING VAN EE N CT- SCANN ER De eerste werkende CT-scanner werd in 1969 ontwikkeld door de Brit G.N. Hounsfield. De eerste commerciële CT-scanner van de eerste generatie kwam op de markt in 1971. Deze CT-scanners werkten volgens het principe van translatie en rotatie van de röntgenbuis en detector. Naarmate de technieken verbeterden volgden de CT-scanners van de tweede en derde generatie, waarbij er werd afgestapt van het principe van translatie en er enkel nog rotatie werd uitgevoerd tijdens het scannen van een object. Dit werd mede mogelijk gemaakt door het plaatsen van meerdere detectoren. Hierdoor werden de scantijden danig gereduceerd en konden er vele tienduizenden metingen worden verricht per snede. Heden worden CT-scanners gemaakt van de vierde en vijfde generatie. Hierbij draait enkel de röntgenbuis rond en de detectoren vormen een volledige ring rond het te scannen object, waardoor de scantijden in vergelijking met vroeger nog korter worden (Dam et al., 1997). De CT-scanner, gebruikt voor de analyse van bodemmonsters, werkt niet volgens de meest gangbare methode waarbij röntgenbuis en detectoren rond het doelobject draaien. In plaats daarvan draait het monster rond en blijven bovengenoemde onderdelen op hun plaats. Er is dus ook sprake van rotatie, weliswaar alleen van het doelobject (Dierick et al., 2008). Eens de metingen zijn gebeurd, worden deze omgezet naar beelden. Om een 2D beeld te verkrijgen worden er meerdere metingen van een snede in rekening gebracht. Hiervoor zijn er bepaalde technieken en algoritmen in gebruik. Het meest gebruikte algoritme, het Feldkamp algoritme, steunt op de methode van de terugprojectie (Gregor et al., 2002, Dam et al., 1997). Het 2D beeld van een snede, weergegeven op de monitor van een CT-scanner, bestaat uit pixels. Een snede heeft echter ook een dikte, namelijk de breedte van de stralenbundel en de focus op de detectoren. Iedere pixel heeft dus ook een bepaalde diepte. Daarom wordt er niet over pixels gesproken, maar over voxels. 19

2.3.2 Contraststoffen Contrast op CT beelden wordt veroorzaakt door de verschillen in attenuatie van de stralenbundel. De drie belangrijkste mechanismen die de attenuatie van X-stralen veroorzaken zijn coherente verstrooiing, niet-coherente verstrooiing en foto-elektrische absorptie. Coherente verstrooiing houdt in dat fotonen veranderen van richting zonder verlies van energie. Dit komt vooral voor bij atomen met een hoge atoommassa en wanneer de stralenbundel een lage energie-inhoud heeft. Niet-coherente verstrooiing houdt in dat een deel van de energie wordt doorgegeven van de fotonen naar de elektronen. Dit is vooral afhankelijk van de bulkdensiteit van het materiaal. Fotoelektrische absorptie houdt in dat de volledige energie-inhoud van de fotonen wordt overgedragen naar de elektronen. Dit komt vooral voor bij atomen met een hoge atoommassa en wanneer de stralenbundel een zeer lage energie-inhoud heeft. Deze drie mechanismen zorgen ervoor dat bij het gebruik van polychromatische X-stralen, de stralenbundel een verandering van het frequentiespectrum zal ondergaan (Taina et al., 2008). Contraststoffen zijn stoffen die na toediening aan een monster, zorgen voor een beter contrast van een gewenste fase op CT beelden. Meestal bestaan deze stoffen uit een of meerdere zware elementen die zorgen voor een grote attenuatie van de X-stralen. Vaak gebruikte zouten die zorgen voor deze grote attenuatie zijn jodiumzouten en bariumzouten, met meestal een complexe chemische formule. Een belangrijke eis die gesteld wordt aan de contraststoffen voor bodemonderzoek is dat ze goed oplosbaar zijn in water. Het is namelijk de bedoeling om het bodemwater een grotere attenuatie te geven dan de minerale bodemmatrix. Een tweede belangrijke eis is dat de contraststof een negatieve of neutrale lading bezit. Zoals aangehaald in 2.1.1.2 Kleifractie hebben kleideeltjes een negatieve oppervlaktelading. Deze negatieve lading is nodig om te vermijden dat de contraststof aangetrokken wordt door de kleideeltjes. Door gebruik te maken van contraststoffen veranderen de eigenschappen van de bodem. Zo verandert volgens Tippkötter et al. (2009) de viscositeit en de oppervlaktespanning van het bodemwater, waardoor er CT opstellingen met een stralenbundel van hoge energie-inhoud gebruikt moeten worden. Voor het onderzoek van vloeistofstromingen in kleibodems door Heijs et al. (1995) is er wel gebruik gemaakt van een contraststof, namelijk KI. Volgens Tippkötter et al. (2009) blijkt dat het echter niet nodig is om een contraststof te gebruiken om de vaste bodemfase en de waterfase van elkaar te onderscheiden. Echter, volgens Mooney and Morris (2006) heeft het gebruik van contraststoffen veel voordelen bij het onderscheiden van de verschillende bodemfasen.

20

Een probleem bij het gebruik van contraststoffen voor bodemonderzoek is de giftigheid. Vooral indien verbanden met de mineralisatie gelegd moeten worden is dit belangrijk. Het is algemeen geweten dat veel jodiumzouten en bariumzouten toxisch zijn vanaf bepaalde lage concentraties. Daarom is er recent gezocht naar een contraststof die minder toxisch is. Mooney and Morris (2008) focussen in hun studie op de stof ‘Briliant Blue FCF’, die blijkbaar een hoge mobiliteit en een hoge attenuatie met een lage toxiciteit combineert. Uit dezelfde studie blijkt dat de gebruikte contraststof bij geen enkel onderzocht bodemstaal kan doordringen tot alle watergevulde poriën. Bij het gebruik van een contraststof zal dus blijkbaar niet al het bodemwater een verhoogde attenuatie vertonen. De verdeling van een contraststof over een bodemstaal is afhankelijk van (Mooney and Morris, 2006): - het watergehalte, - de poriënmorfologie, - convergentiepunten zoals stenen en tunnels, - de oppervlaktetopografie van de bodemstalen.

2 . 3 . 3 Be p a l e n va n b o d e m e i g e n s c h a p p e n d o o r X- s t r a l e n t o m o g r a f i e Computer Tomografie (CT) is al vaak toegepast om de structuur van bodems te onderzoeken. Sinds het begin van de jaren tachtig is CT populair voor het onderzoek van de bulkdensiteit en de waterdistributie in macroporiën (Heijs et al., 1995). Het eerste succesvolle bodemonderzoek met een CT-scanner werd uitgevoerd in 1982 door Petrovic et al. (Taina et al., 2008). Later zijn daar andere applicaties bijgekomen zoals het kwantificeren van de verschillende bodemfasen en onderzoek naar de waterdistributie in microporiën (Mooney and Morris, 2006, Taina et al., 2008). Er zijn reeds veel verschillende opstellingen gebruikt voor het onderzoek van bodems. Sleutel et al. (2008) concludeerden uit een vergelijkend onderzoek dat een CT opstelling met een stralenbundel van gemiddelde energie-inhoud het beste resultaat geeft om de verschillende bodemfasen te onderscheiden. Dit is in tegenstelling met de theorie, waarbij de voorkeur uitgaat naar CT opstellingen met stralenbundels met een lage energieinhoud. Het probleem met een stralenbundel met een lage energie-inhoud is de signaal/ruis verhouding (Sleutel et al., 2008). Uit het vergelijkend onderzoek bleek ook dat er best geen filters gebruikt worden.

21

3 M AT E R I A A L E N M E T H O D E N

3.1 Testexperimenten Testexperimenten werden uitgevoerd om de methodiek van de miniatuurincubaties (zie 3.2 Koolstofmineralisatie van onverstoorde bodem) te kiezen en eventueel te optimaliseren. Hierbij werden volgende factoren onderzocht: - de instellingen van het gaschromatografietoestel; - het volume van de bodemstalen; - het te injecteren volume in het gaschromatografietoestel; - de invloed van een contraststof op de koolstofmineralisatie. 3 . 1 . 1 Co n f i g u r e r e n va n d e g a s c h r o m a t o g r a a f De vrijgestelde CO2 wordt gemeten door gaschromatografie (GC). De reden om niet te kiezen voor de meer gangbare methode, namelijk de titratiemethode, is het kleine volume van de incubatiestalen. Kleine gasconcentraties kunnen nauwkeuriger gedetecteerd worden door GC.

3.1.1.1 GEGEVENS De gebruikte gaschromatograaf is een Thermo Electron Thrace GC Ultra met: - een split/splitless injector; - een ‘CP – Pora Bond Q Fused Silica’ capillaire kolom met een lengte van 25 m en een interne diameter van 0,53 mm; - een ECD met een 63Ni β- bron.

3 . 1 . 1 . 2 I N S T E L L E N V A N D E G A S C H R O MA T O G R A A F Om CO2 te kunnen meten werden de parameters van de chromatograaf geoptimaliseerd. Rekening houdende met 2.2.2.2 CO2-metingen werd eerst de temperatuur van de ECD verminderd van 300 °C tot 250 °C. De lagere temperatuur van de detector vergroot de gevoeligheid voor CO2. De vergelijkende chromatogrammen zijn te zien op Figuur 3-1.

22

Figuur 3-1: links het chromatogram voor, en rechts het chromatogram na optimalisatie van de GC-paramaters

Op de plaats waar er een piek van CO2 zou moeten zijn, is er een dal. Dit heeft vooral te maken met de drukveranderingen ten gevolge van het ingestelde processchema. De CO2 piek komt net op het moment waar de druk in de kolom daalt. Door deze drukdaling 0,2 minuten eerder te doen plaatsvinden kan de CO2 piek wel gedetecteerd worden. Als gevolg werd in de kolom de initiële verhoogde druk van 29 kPa in de tijd verminderd van 1,65 min. naar 1,45 min. en de ‘ramp’ van 18 kPa verlengd van 3,26 min. naar 3,46 min. Om de ingestelde parameters te testen werden er luchtstalen geïnjecteerd. In lucht zit er een kleine concentratie aan CO2 (0,039 %). Deze concentratie in de lucht is normaal gezien hoog genoeg om gedetecteerd te worden door een ECD. Om de instellingen te toetsen, werd er vergeleken met de detectie van CO2 volgens de instellingen om N2O te meten. Om zeker te zijn dat de piek wel effectief van CO2 afkomstig was, werd er respiratoire lucht in de gaschromatograaf gebracht. Dit was mogelijk door uitgeademde lucht op te vangen in de injectiespuit en daarna te injecteren. Door de veel hogere CO2concentratie moest de CO2 piek veel groter zijn dan de piek van het gewone luchtstaal. De GC paramaters na optimalisatie staan in Tabel 3-1.

23

Tabel 3-1: Instellingen van het GC toestel om CO2 te meten

Onderdeel GC

Instelling / parameter

Waarde

Oven

Temperature Hold time Inlet Mode Initial ramp Ramp 1 Preceding decrease Base temperature ECD temperature Reference current Pulse amplitude Pulse width Flow makeup Prep run

30 °C; constant 3 min 200 °C; splitflow 19 ml/min Programmed pressure 29 kPa; 1,45 min 18 kPa; 1,46 min 120 kPa/min 240 °C 250 °C 1 nA 50 V 1 µs 22 Right detector / autozero

At 1,45 min

External event #1 / off

Right inlet Right carrier

Right detector

Run table

3 . 1 . 2 Ke u z e va n e e n r e p r e s e n t a t i e f b o d e m vo l u m e Het doel van deze testincubaties was de bepaling van de minimale schaal, waarbij incubaties nog mogelijk en representatief zijn. Daarnaast werd ook de variabiliteit van de respiratie geëvalueerd wanneer de grootte van het incubatiemonster afneemt. Vier bodemmonsters met afnemende massa (220 g – 30 g – 12 g – 3 g) werden geïncubeerd. De bodems werden op een bulkdensiteit van 1,1 . 103 kg/m3 gebracht. De bodemvochtigheid werd gebracht op 50 % WFPS. De gedetailleerde gegevens en parameters voor de incubaties zijn te vinden in Tabel 3-2. Om te bepalen hoeveel water er toegediend moest worden om 50 % respectievelijk 75 % WFPS te bekomen werd de onderstaande formule gebruikt:

Vtoe te voegen vocht (ml ) = PW ⋅ mDB

3-1

Het watergehalte (Pw) werd bepaald door onderstaande formule (Robertson et al., 1999):

PW (ml / g ) =

ST (% ) ⋅WFPS (% ) DB (g / cm3 )

3-2

De totale porositeit (ST) werd bepaald door onderstaande formule:

 D (g cm3 ) ST (%) = 1 − B ⋅ 100 3   DP (g cm )

3-3

24

Volgens Robertson et al. (1999) mag voor de partikeldensiteit (DP) een vaste waarde gebruikt worden voor alle minerale bodems, namelijk 2,75 g/cm3. Uit bovenstaande formules werd er een PW van 0,272 ml H2O / g droge grond bekomen. Na het bevochtigen van de bodems werden deze in hun container geplaatst. De containers werden vervolgens geïncubeerd bij 20 °C. Iedere dag werd de respiratie bepaald aan de hand van CO2-metingen. Gedurende ± 22 uur werd de container volledig luchtdicht afgesloten waarbij er een bepaalde hoeveelheid CO2 vrijkwam in de container. Het gevormde CO2 werd vervolgens opgevangen in een NaOH oplossing met een concentratie van 0,25 mol/l. De exacte volumes NaOH oplossing voor ieder incubatiestaal staan in Tabel 3-2. Na ieder incubatie-interval werd gedurende ± 2 uur de container open gelaten zodat er na een bepaalde tijd terug voldoende O2 aanwezig was voor een volgend incubatie-interval. Tabel 3-2: Incubatieparameters voor de bodemmassa’s

Parameter mDB (g) ρDB (g/cm3) VDB (cm3) VH20 toegevoegd (ml) VNaOH 0,25 mol/l Vcontainer (cm3)

Reeks 1 220 1,1 200,00 71,94 15,0 1500

Reeks 2 30 1,1 27,27 9,81 5,0 500

Reeks 3 12 1,1 10,90 3,92 5,0 500

Reeks 4 3 1,1 2,73 0,98 2,5 200

CO2 komt in basisch milieu steeds voor onder de vorm van gedissocieerd CO32- (Butler, 1991). Aangezien NaOH steeds in overmaat aanwezig is, zal het gevormde CO2 oplossen. Uit onderstaande reactievergelijking blijkt dat 0,5 mol CO2 reageert met 1 mol NaOH. De molaire massa van CO2 is 44 g/mol. 22 g CO2 zal dus reageren met 1 mol NaOH.

CO2 + 2Na + + 2OH − → CO32− + 2Na + + H2O

3-4

Na 20 uur werd de container terug geopend en de overmaat aan NaOH bepaald door titratie met HCl van 0,2 mol/l. Uit onderstaande reactievergelijking blijkt dat 1 mol NaOH reageert met 1 mol HCl. 1 ml HCl van 0,2 mol/l neutraliseert 0,2 . 10-3 mol NaOH.

Na + + OH − + H + + Cl − → Na + + Cl − + H2O

3-5

25

Uit bovenstaande afleidingen volgt de formule om de opgevangen massa CO2 te berekenen:

mCO2 = (VNaOH ⋅ CNaOH − VHCl ⋅ CHCl )⋅ 0,5 ⋅ MCO2

3-6

Vervolgens kon de respiratiesnelheid per massa-eenheid droge bodem berekend worden:

vCO2 =

mCO2 t ⋅ mDB

3-7

3. 1. 3 Cal i brati e en testmetingen met het gaschromatografi etoestel Deze incubaties werden uitgevoerd om te bepalen wat het ideale gasvolume is om te injecteren in de GC. Bij een te groot volume kan de hoeveelheid CO2 te groot worden zodat de oppervlakte onder de curve niet meer bepaald kan worden uit de calibratiecurve. Dit heeft vooral te maken met de afvlakking van de calibratiecurve die kan voorkomen. Bij een te laag volume wordt er een grotere fout op de meting gemaakt. Er moest hier dus gekozen worden voor een gebalanceerd injectievolume. De incubatiecontainers om CO2 te meten via GC waren verschillend dan deze die worden gebruikt in klassieke incubatie experimenten. Bij metingen met de GC werd er namelijk een septum aangebracht. Via het septum kon een luchtmonster genomen worden om vervolgens te injecteren in het GC-toestel. Het septum voorkwam dat de lucht binnen in de container verstoord werd door lucht van buitenaf. Voor de testmetingen werden er 4 stalen en 1 blanco geïncubeerd. De bodems werden op een bulkdensiteit van 1,1 . 103 kg/m3 gebracht. Het vochtgehalte werd gebracht op 50 % WFPS. De gedetailleerde gegevens en parameters voor de incubaties zijn te vinden in Tabel 3-3. De hoeveelheid water die toegevoegd moest worden aan de bodems kon bepaald worden aan de hand van formule 3-1, te vinden in 3.1.2 Keuze van een representatief bodemvolume. Hieruit blijkt dat er 0,272 ml/g droge grond toegevoegd moest worden. Na het bevochtigen van de bodems werden deze in een incubatiecontainer geplaatst. De containers werden vervolgens geïncubeerd bij 20 °C. Iedere dag werd de respiratie bepaald aan de hand van CO2-metingen. Gedurende enkele uren werd de container volledig luchtdicht afgesloten waarin het geproduceerde CO2 werd opgevangen. Deze hoeveelheid kon worden gemeten door GC. De overige tijd bleef de container geopend.

26

Om verdamping van het bodemvocht tegen te gaan, werd een parafilm over de geopende containers gespannen. Door een parafilm kunnen de kleine moleculen die in de lucht aanwezig zijn migreren, maar waterdamp niet. Het water bleef dus grotendeels aanwezig in de bodemstalen. Tabel 3-3: Incubatieparameters voor de bodemmassa’s

Parameter mDB (g) ρDB (g/cm3) VDB (cm3) VH20 toegevoegd (ml) Vcontainer (cm3)

Bodemstaal 1,5 1,1 1,36 0,4 1500

Vooraleer de metingen van de stalen van start gingen, werd er telkens een calibratiecurve opgesteld. Dit gebeurde door het injecteren van opeenvolgende hoeveelheden standaard gasmengsel met een CO2 concentratie van 3 %. Bij het opstellen van de calibratiecurve bleek de curve vanaf een bepaalde hoeveelheid CO2-standaardgas af te buigen (Figuur 3-2). Een calibratiecurve is pas bruikbaar indien de geïnjecteerde hoeveelheid stof recht evenredig is met de oppervlakte onder de piek. Daarom werd het geïnjecteerd volume CO2-standaardgas beperkt tot 50 µl (2,25 µg), waarbij er wel een recht evenredig verband bestond (Figuur 3-3).

27

Oppervlakte onder piek

140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 0

10

20

30

40

Massa CO2 geïnjecteerd (µg)

Figuur 3-2: calibratiecurve van de testmetingen voor 0 tot 40 µg CO2

Oppervlakte onder piek

25000 20000

y = 10364x R2 = 0,9959

15000 10000 5000 0 0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Massa CO2 geïnjecteerd (µg)

Figuur 3-3: calibratiecurve van de testmetingen voor 0 tot 2,5 µg CO2

28

3 . 1 . 4 O p t i m al i s a t i e va n C T - b e e l d e n d o o r e e n c o n t r a s t s t o f Om na de miniatuurincubaties de poriënverdeling te bepalen, moeten er CT-scans gemaakt worden van de bodemstalen. Hierbij kan het gebruik van een contrastvloeistof er voor zorgen dat het bodemwater beter onderscheiden kan worden van de bodemmatrix. Kaliumjodide (KI) is een contraststof die reeds in eerdere experimenten is gebruikt om de attenuatie van het bodemwater te vergroten. Om het effect van KI op de mineralisatie in de bodem te bepalen, werden droge bodems met een bulkdensiteit van 1,1 . 103 kg/m3 bevochtigd met KI oplossingen van 0,010 mol/l; 0,030 mol/l; 0,045 mol/l; 0,200 mol/l. Per KI-concentratie werden 3 herhalingen aangemaakt met daarnaast ook 3 blanco stalen. In totaal werden er dus 15 stalen geïncubeerd. Het toevoegen van de KI oplossingen en het water bij de blanco stalen gebeurde door capillaire opname. De gedetailleerde gegevens en parameters voor de incubaties zijn te vinden in Tabel 3-4. Verder verliep de incubatie van de stalen zoals beschreven in 3.1.3 Calibratie en testmetingen met het gaschromatografietoestel. Er werd geïncubeerd bij 20 °C en iedere dag werd de container gedurende enkele uren luchtdicht afgesloten. Het gevormde CO2 werd bepaald door GC. Tabel 3-4: Incubatieparameters voor de bodemmassa’s

Parameter mDB (g) ρDB (g/cm3) VDB (cm3) CKI toegevoegd (mol/l) VKI toegevoegd Vcontainer (cm3)

Reeks 1 1,5 1,1 1,36 0,200 Capillair 30

Reeks 2 1,5 1,1 1,36 0,045 Capillair 30

Reeks 3 1,5 1,1 1,36 0,030 Capillair 30

Reeks 4 1,5 1,1 1,36 0,010 Capillair 30

Blanco’s 1,5 1,1 1,36 Water Capillair 30

29

3 . 2 K o o l s t o f m i n e r a l i s a t i e va n o n ve r s t o o r d e b o d e m s t a l e n 3 . 2 . 1 Be m o n s t e r i n g e n vo o r b e h a n d e l i n g 3.2.1.1 STAALNA ME EN BO DE ME IGENS CHAPP EN De bemonstering van de bodems gebeurde op 8 december 2009 in de vroege namiddag op het grondgebied van Gontrode, een deelgemeente van Melle (Figuur 3-4). Op het moment van de staalname was er geen neerslag, hoewel het eerder die dag regende. De bemonsteringsplaatsen situeerden zich in een jong eikenbestand aan de rand van een bos in een licht heuvelachtig gebied met hoogteverschillen tot 15 m (AGIV, 2009).

Figuur 3-4: omgeving van de bemonsteringsplaatsen

Op de plaats van de staalname is er een zeer natte zandleembodem aanwezig, zoals te zien is op Figuur 3-5. Het kleigehalte bedroeg 16 % en het organisch C-gehalte lag tussen 3,5 en 6 %. Om voldoende variabiliteit te hebben tussen de bodemstalen, werden er op de site drie bemonsteringsplaatsen geselecteerd op basis van verschillen in bulkdichtheid. Bemonsteringsplaats 1 (P1) had een hoge bulkdichtheid (1,79 g/cm3), bemonsteringsplaats 2 (P2) had een lage bulkdichtheid (1,41 g/cm3) en bemonsteringsplaats 3 (P3) had een matige bulkdichtheid (1,67 g/cm3). Deze plaatsen werden reeds vooraf bemonsterd, gecontroleerd en toegewezen op 7 december 2009. De drie bemonsteringsplaatsen hebben een onderlinge afstand van ongeveer 10 m.

30

Figuur 3-5: Situering van de plaats van de bemonstering op een bodemkaart (AGIV, 2006)

De onverstoorde bodemstalen werden bemonsterd met aluminium cilinders met een hoogte en een interne diameter van 1 cm. Het intern volume was dus 0,785 cm3. Om de bodem zo weinig mogelijk te verstoren hadden de cilinders aan één kant een gescherpte rand. Een afbeelding van dergelijke cilinder is te zien op Figuur 3-6. Om representatieve bodemstalen te verkrijgen werd de bovenste 10 cm strooisellaag van de bodem verwijderd. Om de verstoring van de bodemstructuur tot een minimum te beperken, werd iedere cilinder dieper geduwd door een tweede cilinder op de onderste cilinder te plaatsen. Daarna werden beide cilinders uitgegraven en kon de onderste cilinder voor transport afgesloten worden met plastic deksels. In totaal werden er 39 monsters genomen.

Figuur 3-6: grootte van een aluminium cilinder, vergeleken met een afbreekmes

31

3.2.1.2 VOORBEH ANDELI NGE N Na het bemonsteren werden de bodems aan de lucht gedroogd gedurende 2 dagen. Daarna werden de luchtgedroogde bodems bevochtigd tot ofwel 50 % WFPS ofwel 75 % WFPS. Om de precieze hoeveelheid toe te voegen water te bepalen werd de onderstaande formule gebruikt:

Vtoe te voegen vocht (ml ) = PW ⋅ mDB

3-8

Het watergehalte (PW) werd bepaald door onderstaande formule (Robertson et al., 1999):

PW (ml / g ) =

ST (% ) ⋅WFPS (% ) DB (g / cm3 )

3-9

De totale porositeit (ST) werd bepaald door onderstaande formule:

 DB (g cm3 ) ST (%) = 1 − ⋅ 100 3   DP (g cm )

3-10

In tegenstelling tot de testexperimenten werd voor de partikeldensiteit 2,65 g/cm3 aangenomen, in plaats van 2,75 g/cm3. Uit het vooronderzoek is namelijk gebleken dat de bodems veel organische stof bevatten, zodat de partikeldensiteit iets lager werd gekozen. Het schematisch overzicht van de proefopzet is te zien op Figuur 3-7. Bevochtigen gebeurde met een oplossing van 0,01 mol/l CaSO4. De tweewaardige Ca2+ ionen in deze oplossing hechten sterk aan de negatief geladen bodemdeeltjes. Hierdoor werd vermeden dat de bodemmatrix uit elkaar zou vallen door afstotingsverschijnselen tussen de bodemdeeltjes onderling. Na het bevochtigen van de bodems werden alle cilinders strak overspannen met parafilm om vochtverlies tegen te gaan. Parafilm laat kleine gasmoleculen door terwijl het diffusie van waterdamp beperkt.

32

Figuur 3-7: overzicht van de proefopzet

3 . 2 . 2 O p s t a r t e n va n d e i n c u b a t i e s Na de voorbehandelingen werd ieder staal in een afsluitbare incubatiecontainer gebracht. In het deksel van iedere container was er een septum aangebracht zodat er bij de metingen een luchtstaal uit de container genomen kon worden zonder deze te openen. Deze containers werden in de incubatiekast geplaatst bij een temperatuur van 20 °C. Om te voorkomen dat de luchtvochtigheid te veel zou dalen, werd er in de incubatiekast een beker met water geplaatst. Bij een te lage luchtvochtigheid bestond de kans dat een niet te verwaarlozen hoeveelheid water uit de stalen verdampte.

3 . 2 . 3 Be r e k e n i n g va n d e m i n e r a l i s a t i e s n e l h e i d Om het vochtverlies na een bepaalde periode n te berekenen werd gebruik gemaakt van volgende berekening:

Vochtverli es (% ) =

mt =0 − mt =n ⋅ 100 Vtoegevoegd vocht

3-11

Hierbij stelt mt=0 de massa van de bevochtigde bodem op dag 0 voor, en stelt mt=n de massa van de bevochtigde bodem op dag n voor. Snel verlies van bodemvocht brengt inhibitie van de C-mineralisatie met zich mee waardoor resultaten foutief kunnen zijn. Het vochtverlies is ook van belang voor de relevante stalen om gescand te worden door de CT-scanner. Bij een te hoog vochtverlies zijn de bodemstalen niet meer relevant voor verder onderzoek met de CT-scanner.

33

Na de metingen van de bodemrespiratie met de geschromatograaf waren volgende gegevens gekend: massa droge bodem (mDB), geïnjecteerd volume lucht (Vinjectie), oppervlakte onder de piek (Apiek), volume van de afgesloten container (Vcontainer) de gemeten respiratieperiode (∆tr) en de richtingscoëfficiënt van de calibratiecurve (rico). De massa CO2 die werd geïnjecteerd in het GC toestel:

mCO 2 injectie (µg ) =

Apiek rico

3-12

De concentratie van CO2 in de injectiespuit:

CCO2 (µg / cm3 ) =

mCO2 injectie (µg ) Vinjectie (µl )

⋅ 1000

3-13

De totale massa CO2 gevormd in de container:

[

]

∆mCO2 container (µg ) = C CO2 (µg / cm3 ) − CCO2 blanco (µg / cm3 ) ⋅ Vcontainer

3-14

De respiratiesnelheid:

vr (µg / s ) =

∆mCO 2 container (µg ) ∆tr (h ) ⋅ 3600

3-15

De respiratiesnelheid per massa droge bodem werd berekend door:

vr (µg / s ) mDB (g )

3-16

De C-mineralisatie per tijdseenheid (dag) en per massa (kg) droge bodem werd berekend door:

 M (g / mol )  vr (µg / s )  ⋅ (3600 ⋅ 24 ) ⋅  C mDB (g )  MCO 2 (g / mol ) 

3-17

Hierbij is MC gelijk aan 12 g/mol en is MCO2 gelijk aan 44 g/mol.

3 . 2 . 4 To t a a l k o o l s t o f - e n s t i k s t o f g e h a l t e Alle bodemstalen werden na de incubatie-experimenten geanalyseerd ter bepaling van het totaal koolstof- en stikstofgehalte. Voor deze analyse werd de Vario max CNS analyser gebruikt. Dit is een volautomatisch analysetoestel waarbij de gehaltes automatisch werden uitgedrukt in massapercent van de totale onderzochte bodemmassa.

34

Door verhitting van de bodemmonsters tot meer dan 850 °C bij een overmaat aan zuurstof, wordt het grootste deel van de organische verbindingen omgezet tot CO2, H2O en NOx. Om de kleine fractie gevormd CO nog verder om te zetten naar CO2, volgt nog een naverbranding. In een reductiebuis gebeurt de omzetting van NOx naar N2. Ten slotte worden de gehaltes CO2 en N2 bepaald met een ingebouwde Thermal Conductivity Detector (TCD), waaruit de gehaltes C en N afgeleid kunnen worden.

3 . 2 . 5 Be p a l e n va n d e r e l e v a n t e s t a l e n vo o r X- s t r a l e n t o m o g r a f i e Na het discontinu meten van de respiratie gedurende ongeveer een maand, werden de resultaten van de C-mineralisatie uitgezet in functie van de tijd. Na het onderling vergelijken van de bodemstalen werden per combinatie bemonsteringsplaats/vochtgehalte de 3 meest relevante stalen geselecteerd om gescand te worden door de CT-scanner. De relevantie werd bepaald aan de hand van volgende parameters: - weinig verlies van bodemvocht; - representatieve mineralisatie voor alle stalen met dezelfde voorbehandeling en bemonsteringsplaats; - gemiddelde bulkdensiteit vergeleken met de stalen van eenzelfde bemonsteringsplaats. Stalen die voor één van deze parameters een uitzonderlijk resultaat gaven werden eveneens weerhouden om gescand te worden door de CT-scanner. Dit was het geval voor staal 33.

35

3 . 3 X - s t r a l e n t o m o g r a f i e : b e e l d vo r m i n g e n - ve r w e r k i n g 3 . 3 . 1 Re c o n s t r u c t i e va n d e b e e l d e n Na selectie van de relevante bodemstalen werd de poriëngrootteverdeling bepaald door middel van X-stralen tomografie of computertomografie (CT). Een afbeelding van de gebruikte CT opstelling is te zien op Figuur 3-8. De aluminium cilinder rond de bodem bleef behouden tijdens het scannen. De invloed van het aluminium omhulsel op het renderen van de CT-beelden was immers niet storend en het omhulsel voorkwam verstoring van de bodemstructuur. Na het plaatsen van het bodemstaal op het draaistatief en het instellen van alle parameters werden projecties gemaakt. Deze projecties werden door filters en algoritmes verwerkt tot de uiteindelijke ‘cross-sections’ of 2D-beeldlagen. De uiteindelijke resolutie was 9,44 µm. Dit betekent dat de 3 zijden van een voxel (de 3D tegenhanger van een pixel) een lengte hebben van 9,44 µm. Het programma dat voor de reconstructie werd gebruikt was een programma dat door de universiteit werd ontwikkeld, namelijk Octopus (http://www.ugct.ugent.be/software.php). Er dient hier wel opgemerkt te worden dat enkele stalen werden gescand met andere instellingen, maar deze inconsistentie werd in rekening gebracht tijdens de verwerking van de CT-beelden.

Figuur 3-8: CT-opstelling met links op de achtergrond de X-stralen bron, rechts op de voorgrond de X-stralen detector en onderaan in het midden de rotatietafel met daarop een te onderzoeken object

36

3 . 3 . 2 Ve rw e r k i n g va n d e g e r e c o n s t r u e e r d e b e e l d e n Ter verwerking van de gereconstrueerde beelden werden er vier programma’s gebruikt: - Morpho+ (http://www.ugct.ugent.be/software.php) - AvizoFire 6.1 (http://www.vsg3d.com) - Matlab (http://www.mathworks.com) - Excel (http://office.microsoft.com/nl-be/excel/default.aspx) Morpho+ is een softwarepakket dat berekeningen in 3D kan uitvoeren op beelden in grijsschaal. Het werd ontwikkeld door de Universiteit van Gent. Enkele mogelijke toepassingen zijn: -

een ‘treshold’ toekennen aan grijstinten die interessant zijn voor het onderzoek; ruis op de beelden wegfilteren; poriënnetwerken opdelen in aparte poriën; kwantitatieve informatie verkrijgen.

AvizoFire 6.1 werd gebruikt voor meer specifieke kwantificering van de poriënruimtes. Enkele toepassingen zijn: -

onderscheiden van lucht en water in de poriën aanduiden van 3 verschillende bodemfasen; berekenen van diverse oppervlaktes, volumes en verhoudingen van poriën het renderen van 2D beelden naar 3D beelden

Het wiskundig programma Matlab werd gebruikt om de resultaten te kunnen combineren die enerzijds afkomstig waren van morpho+ en anderzijds van AvizoFire 6.1. Morpho+ gaf immers kwantitatieve informatie over het poriënnetwerk, maar om te bepalen of een porie met water of lucht was gevuld, werd AvizoFire 6.1 toegepast. Excel werd gebruikt om de geëxporteerde bestanden vanuit beide programma’s te openen en te bewerken waaruit concrete resultaten voortkwamen.

3. 3. 2. 1 MOR PHO+ De opgehaalde CT-beelden waren ruwe TIF afbeeldingen met per beeld een dikte van één voxel en een beeldgrootte van 1450 x 1450 voxels. Een gescand bodemstaal bestond uit bijna 1500 TIF afbeeldingen. Zowel in de x-, y- als z- richting werden de beelden bijgesneden om geen overtollige achtergrond mee te nemen in de verdere analyse.

37

Aangezien de stalen cilindrisch van vorm waren, werden de beeldlagen in xy- richting voorzien van een cirkelvormige ‘mask’. Dit komt overeen met het bijsnijden van de CTbeelden, maar dan volgens een cirkelvorm. Hierdoor kon een maximaal bodemvolume geanalyseerd worden. Na het bijsnijden werd het contrast van de beelden verhoogd. Enkel de poriën – zowel gevuld met lucht als met water – waren van belang. Dit hield in dat alle vaste bodemdeeltjes min of meer hetzelfde contrast toegewezen kregen, zodat er een duidelijk contrast merkbaar werd tussen bodemlucht en bodemwater. Eveneens werden de CTbeelden omgezet van 16-bit naar 8-bit waardoor er voor de analyse en weergave van de CT-beelden minder rekenkracht en RAM geheugen nodig was. Omzetting van 16-bit naar 8-bit betekent in praktijk dat 65536 verschillende grijswaarden worden herschaald naar 256 grijswaarden. De bekomen beelden zijn de zogenaamde ‘ruwe data’. Vervolgens werden in drie stappen filters toegepast op de CT-beelden. De eerste filter is de zogenaamde ‘median-filter’ waarbij elke voxel de mediaan toegewezen krijgt van de 26 omringende voxels. Deze filter werd twee maal na elkaar toegepast. Daarna werd er nog een bilaterale filter toegepast. Deze laatste filter brengt zowel de grijswaarde als de afstand van de omliggende buurvoxels in rekening en behoudt de scherpte van de randen tussen twee fasen. Deze filter werd ingesteld met twee sigmawaarden (σ1 = 5 en σ2 = 2). Het resultaat van deze filters is te zien op Figuur 3-9. Het filteren van CT-beelden nam behoorlijk veel geheugen en processorcapaciteit in beslag. Het toepassen van een filter op de CT-beelden van één object kon tot 30 minuten duren.

Figuur 3-9: links een ruwe afbeelding, rechts het gefilterde beeld

38

Na het filteren van de beelden werd de ‘treshold’ of drempelwaarde ingesteld voor alle grijswaarden die als porie beschouwd konden worden. Het vinden van de drempelwaarde gebeurde door bij enkele duidelijke CT-beelden watergevulde en luchtgevulde poriën aan te duiden op het zicht. Voor de watergevulde poriën werd de grijswaarde met de hoogst gevonden waarde als drempelwaarde genomen voor alle gescande objecten. Bijgevolg werd de drempelwaarde ingesteld op een grijswaarde van 86. Hierna werd alles opgeslagen als een binair beeld waarbij de poriën wit en de bodemdeeltjes zwart zijn. Om vervolgens kwantitatieve informatie te bekomen uit de binaire beelden, werden alle poriën gelabeld en werd er een ‘distance map’ opgemaakt. Deze distance map geeft op een 2D beeld weer hoe diep een porie is. Hoe lichter de grijstint van een voxel, hoe groter de minimale afstand van die voxel tot de rand van zijn object (= de porie). Een voorbeeld hiervan is te zien op Figuur 3-10. Hierop werden ook de verbindingen tussen de poriën onderling duidelijk zichtbaar.

Figuur 3-10: een voorbeeld van een distance map

Omdat veel poriën door middel van porenecks met elkaar waren verbonden, beschouwde Morpho+ deze poriën als één porie. In bijna alle gevallen werd meer dan de helft van de volledige poriënruimte beschouwd als één grote porie. Voor de verwerking gaf dit enkele potentiële problemen. Dit kon echter worden opgelost door middel van de functie ‘seperate objects’. Hierdoor werden de poriën die met elkaar verbonden waren, van elkaar gescheiden (Figuur 3-11). De scheidingslijn is de poreneck tussen twee poriën. De bekomen beeldlagen werden ten slotte opgeslagen.

39

Figuur 3-11: de poriën op een beeldlaag na het scheiden door de ‘seperate objects’ functie

Uiteindelijk werd er per bodemstaal een Excelbestand geëxporteerd met informatie over de totale porositeit en de volumes van de poriën.

3.3.2.2 AVIZOFI RE 6.1 Na de bewerkingen met Morpho+ was het essentieel om de gemiddelde grijswaarde van de poriën te bepalen om zodoende een porie als luchtgevuld of als watergevuld te beschouwen. Dit gebeurde door de opgeslagen seperated objects uit Morpho+ virtueel over de ruwe data te leggen. Door de functie ‘I-Analyse’ werd de ‘mean’ of grijswaarde van ieder object van de ruwe data bepaald, begrensd door de seperated objects. Uiteindelijk werd er een Excelbestand geëxporteerd met info over de grijswaarden van de gescheiden poriën.

40

3. 3. 2. 3 MATLAB Na de vorige verwerkingsstappen waren er twee Excelbestanden per bodemstaal die van belang waren, namelijk deze met data aangaande: - de poriënvolumes (Morpho+); - de gemiddelde grijswaarden van de poriën (AvizoFire). Aangezien AvizoFire en Morpho+ de beeldlagen volgens verschillende algoritmes verwerkten, kon het voorkomen dat het aantal objecten in het Excelbestand van Morfo+ groter was dan het aantal objecten in het Excelbestand van AvizoFire. Het was dus essentieel om het aantal objecten aan elkaar gelijk te stellen. Door vooraf aangemaakte algoritmes kon Matlab de gelijke objecten van beide verwerkingsprocessen behouden, terwijl objecten die enkel in de Excelbestanden van Morpho+ voorkwamen werden verwijderd. Dit was niet problematisch voor de verdere verwerking aangezien het slechts ging om een zeer beperkt aantal objecten (maximum 100 objecten op een totaal aantal van meer dan 10.000). Door Matlab werden uiteindelijk per bodemstaal de bestanden met data over de gescheiden poriën van Morpho+ en AvizoFire gebundeld in één Excelbestand, namelijk het resultatenbestand.

3.3.2.4 INTERPRETATI E VAN DE CT-BEELDE N TER BE PAL ING VA N DE KLA SSEGRE NZEN VOOR DE P ORIË NGROOT TEVERDELI NG

Een belangrijk aspect wat betreft de verdere verwerking van de data was het onderscheiden van de watergevulde en de luchtgevulde poriën. Door visuele inspectie van de ruwe data werden poriën aangeduid die duidelijk gevuld waren met bodemvocht en andere poriën die duidelijk gevuld waren met lucht, zoals te zien op Figuur 3-12. Voor de luchtgevulde poriën werd de hoogst gevonden waarde als drempelwaarde genomen voor alle gescande objecten. Bijgevolg werd de drempelwaarde vastgesteld op een grijswaarde van 54 voor de stalen met volgnummers tot en met 25. De drempelwaarde voor de stalen met volgnummers vanaf 26 was gelijk aan 44. De grijswaarde van de objecten was terug te vinden in het resultatenbestand, zodat er kwantitatief een onderscheid gemaakt kon worden tussen luchtgevulde en watergevulde poriën.

41

Vaste bodemdeeltjes

Luchtgevulde poriën

Watergevulde poriën

Organisch materiaal

Figuur 3-12: een 2D beeldlaag waarop de verschillende bodemcomponenten visueel zijn aangeduid

Een ander aspect was het indelen van de poriën in poriënklassen. Dit werd gebaseerd op de werkwijze van Strong et al. (2004) die een klasse-indeling maakte volgens de equivalente diameter van de porenecks: - > 300 µm - 60 – 300 µm - 40 – 60 µm - 30 – 40 µm - 15 – 30 µm - < 15 µm Strong et al. (2004) maakte echter gebruik van nog kleinere klasseringen dan 15 µm, maar aangezien de resolutie van de beelden 9,44 µm was, had dit hier geen belang. Met het softwarepakket Morpho+ was het in principe mogelijk om porenecks te bepalen waardoor het verband tussen porievolume en poreneckgrootte bepaald kon worden, maar wegens tijdgebrek was het onmogelijk deze te relateren met de resultaten uit Avizo. Dit betekent dat er geen verband werd bepaald tussen de poreneckgrootte van een porie en het gegeven of deze porie met water of met lucht was gevuld. De relatie tussen poriënvolume (uitgedrukt als equivalente diameter) en de informatie over poriëninhoud (water of lucht), kon wel bepaald worden.

42

Om de bekomen resultaten te kunnen vergelijken met de bevindingen uit de studie van Strong et al. (2004), werd het verband bepaald tussen poreneckgrootte en poriënvolume. Deze informatie was aanwezig in het resultatenbestand van Morfo+. Door de equivalente diameter van de poriën te linken aan de overeenkomstige equivalente diameter van de grootste aangrenzende poreneck konden deze verbanden worden aangetoond. Enkel de grootste aangrenzende poreneck van een porie werd beschouwd, omdat deze bepalend is voor het al of niet vasthouden van bodemvocht in een porie. De grafiek van de equivalente diameter van de poriën in functie van de equivalente diameter van de porenecks geeft een verdeling van de tweede graad. Een voorbeeld is te zien op Figuur 3-13. Deze figuur toont de grafiek en vergelijking voor staal 4. De grafieken en vergelijkingen van de eveneens onderzochte stalen 11 en 21 waren zeer gelijkaardig.

Equivalente diameter porie (voxels)

200 y = 0,0689x2 + 1,6072x + 5,9049 R2 = 0,7262

180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0

5

10

15

20

25

30

35

Equivalente diameter poreneck (voxels)

Figuur 3-13: equivalente diameter van de poriën in functie van de equivalente diameter van de porenecks (voor staal 4)

Door vervolgens x in te vullen in de vergelijking met de grenswaarden van Strong et al. (2004) werd een klasse-indeling bekomen op basis van de equivalente poriëndiameter (y). Aangezien de vergelijking geldt voor de eenheid ‘voxels’, werden alle grenswaarden eerst omgezet naar voxels, vervolgens ingevuld in de vergelijking, en ten slotte werd de uitkomst terug omgezet naar de eenheid ‘µm’. Aldus werd volgende klasse-indeling volgens poriënvolume bekomen: - > 1200 µm - 180 – 1200 µm - 130 – 180 µm - 110 – 130 µm - 80 – 110 µm - < 80 µm

43

4 R E S U L T AT E N

4.1 Testexperimenten 4 . 1 . 1 Va r i a b i l i t e it va n d e r e s p i r a t i e b i j ve r s c h i l l e n d e b o d e m m a s s a ’ s Figuur 4-1 geeft een overzicht van de respiratiemetingen afkomstig van vier bodemkolommen met afnemende bodemmassa’s (220 g – 30 g – 12 g – 3 g) over een periode van 9 dagen. Uit deze resultaten blijkt dat de temporele variabiliteit van de respiratie groter is bij de kleine bodemkolommen van 3 g dan bij de grote bodemkolommen van 220 g. Dit verschil in variabiliteit is zowel merkbaar tussen de grote en kleine stalen, als tussen de kleine stalen onderling. In de grote bodemkolommen van 220 g en 30 g is er duidelijk een hevige initiële respiratie na het bevochtigen van de bodems. Daarna daalt de respiratie en stabiliseert rond 0,004 mg CO2 / h / g. De reden hiervoor is dat eenvoudige koolhydraten, en andere gemakkelijk afbreekbare bodemcomponenten allemaal in een korte periode worden gemineraliseerd door de geactiveerde MO. Daarna daalt de mineralisatie doordat meer recalcitrante BOS trager gemetaboliseerd wordt. 30g droge bodem CO2 flux (mg CO2 / h / g bodem)

CO2 flux (mg CO2 / h / g bodem)

220g droge bodem 0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

0

2

4

6

8

0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

10

0

2

Tijd (dagen)

0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

2

4

6

8

10

8

10

3g droge bodem CO2 flux (mg CO2 / h / g bodem)

CO2 flux (mg CO2 / h / g bodem)

12g droge bodem

0

4

Tijd (dagen)

6

Tijd (dagen)

8

10

0,030 0,025 0,020 0,015 0,010 0,005 0,000

0

2

4

6

Tijd (dagen)

Figuur 4-1: respiratiemetingen aan de hand van de NaOH captatiemethode op vier bodemkolommen met afnemende bodemmassa (220 g – 30 g – 12 g – 3 g) over 9 dagen

44

4 . 1 . 2 Te s t m e t i n g e n m e t d e g a s c h r o m a t o g r a a f Tabel 4-1 geeft de resultaten weer van de CO2 testmetingen door middel van gaschromatografie (GC). Deze resultaten voldoen aan de gestelde verwachtingen. Indien er minstens 2 uur geïncubeerd werd in een luchtdichte container alvorens de effectieve CO2-metingen startten, was er een duidelijke piek te onderscheiden die afkomstig was van CO2. Doorheen de volledige meetperiode was de initiële respiratie duidelijk merkbaar, waarna er in het algemeen een daling van de respiratie plaatsvond. Tabel 4-1: Resultaten van de CO2-testmetingen door middel van gaschromatografie

Datum 18/11/2009 19/11/2009 24/11/2009 25/11/2009 2/12/2009 3/12/2009

Staal 1 49,0 27,2 71,1 21,4 18,2 12,7

C-mineralisatie (mg C / dag / mg bodem) Staal 2 Staal 3 Staal 4 28,2 64,2 39,4 16,1 31,3 26,1 12,8 16,1 12,4 4,8 12,3 15,2 8,4 18,0 15,9 4,7 14,7 10,4

Gemiddelde 45,2 25,2 13,8 13,4 15,1 10,6

45

4 . 1 . 3 I n h i b i t i e va n d e C- m in e r a l i s a t i e d o o r d e co n t r a s t s t o f k a l i u m jo d i d e Figuur 4-2 geeft de C-mineralisatie weer over enkele dagen na toevoegen van verschillende KI concentraties. De resultaten tonen aan dat er duidelijk een verminderde respiratie optrad naarmate de concentratie van toegevoegd KI-oplossing steeg. Uit de resultaten blijkt dat bij een concentratie van 0,030 mol/l KI de C-mineralisatie gedurende de drie dagen dat er werd gemeten sterk steeg. Bij een concentratie van 0,010 mol/l KI daalde de C-mineralisatie gedurende de drie dagen dat er werd gemeten. Op 3/12/2009 was de C-mineralisatie van de stalen met 0,030 mol/l KI-oplossing groter dan de stalen met 0,010 mol/l KI-oplossing. Toch is er een algemene trend van dalende C-mineralisatie bij hogere concentraties aan KI-oplossing.

C-mineralisatie (mg C / d / kg bodem)

70 60 50

0,200 mol/l KI 0,045 mol/l KI 0,030 mol/l KI 0,010 mol/l KI ged. H20

40 30 20 10 0 5

6

7

8

9

Tijd (dagen)

Figuur 4-2: verloop van de C-mineralisatie in functie van de tijd voor verschillende KI concentraties

46

4 . 2 K o o l s t o f m i n e r a l i s a t i e va n o n ve r s t o o r d e b o d e m s t a l e n 4 . 2 . 1 To t a a l k o o l s t o f - e n s t i k s t o f g e h a l t e Het gemiddelde koolstofgehalte en het gemiddelde stikstofgehalte van de 3 bemonsteringsplaatsen zijn weergegeven op Figuur 4-3. Gemiddeld genomen bevatten alle bodemstalen zeer hoge gehalten aan organische koolstof. De verschillen tussen de bemonsteringsplaatsen waren beperkt, wat een onderlinge vergelijking van de Cmineralisatie van deze bodems in functie van bodemstructuur toelaat. Enkele beperkte verschillen in BOS kwaliteit bleken uit verschillen van het organisch stikstofgehalte en de C/N verhouding. De stalen van bemonsteringsplaats 2 bevatten het meeste organische stikstof, terwijl de stalen van bemonsteringsplaats 1 het minste organische stikstof bevatten.

4,46

0,36

4,44

0,355

Gem. N gehalte (%)

Gem. C gehalte (%)

Uit de gegevens die zijn weergegeven op Figuur 4-4 blijkt dat de C/N verhouding van de BOS voor bemonsteringsplaats 3 het hoogste was met een verhoudingswaarde van 13,1. De C/N verhouding van de BOS voor bemonsteringsplaats 1 was iets lager. Hiervoor is de verhoudingswaarde afgerond 13,0. De C/N verhouding van bemonsteringsplaats 2 was lager dan bij de andere bemonsteringsplaatsen. Hier is de verhoudingswaarde ongeveer 12,2. Toch dient er benadrukt te worden dat de verschillen in een absoluut perspectief zeer klein zijn.

4,42 4,4 4,38 4,36 4,34 4,32

0,35 0,345 0,34 0,335 0,33 0,325

P1

P2

Bemonsteringsplaats

P3

P1

P2

P3

Bemonsteringsplaats

Figuur 4-3: voor de 3 bemonsteringsplaatsen wordt links het koolstofgehalte, en rechts het stikstofgehalte weergegeven

47

14

Gem. C/N verhouding

12 10 8 6 4 2 0 P1

P2

P3

Bemonsteringsplaats

Figuur 4-4: de C/N verhouding voor de drie bemonsteringsplaatsen

4 . 2 . 2 Al g e m e n e t r e n d v a n d e k o o l s t o f m i n e r a l i s a t i e Figuur 4-5 geeft de resultaten weer van de respiratiemetingen. Uit de resultaten blijkt dat voorbehandeling en bemonsteringsplaats een grote invloed hebben op de C-mineralisatie. Dit komt in de eerste plaats door de verschillende concentraties aan BOS. Ook de lucht/water verdeling in de poriën heeft waarschijnlijk een grote invloed op de Cmineralisatie. Tijdens de eerste twee weken was er een hoge initiële C-mineralisatie merkbaar. Daarna verlaagde de snelheid van de C-mineralisatie en trad er stabilisatie op. Uit deze resultaten blijkt dat er een duidelijk onderling verschil waarneembaar is tussen de bodemstalen met eenzelfde voorbehandeling. Dit verschil is vooral duidelijk merkbaar tijdens de initiële C-mineralisatie. De resultaten voor alle afzonderlijke bodemstalen zijn te vinden in bijlage 2. 100 Gem. C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

90 80 70

P1 - 50% WFPS P1 - 75% WFPS P2 - 50% WFPS P2 - 75% WFPS P3 - 50% WFPS P3 - 75% WFPS

60 50 40 30 20 10 0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

Figuur 4-5: gemiddelde C-mineralisatie van de verschillende bemonsteringsplaatsen (P1, P2 en P3) en de aangelegde vochtgehaltes(50% en 75%)

48

4 . 2 . 3 Ef f e c t va n d e b u l k d i c h t h e i d o p d e k o o l s t o fm i n e r a l i s a t i e Er is een duidelijke variatie van de C-mineralisatie tussen de bemonsteringsplaatsen waar te nemen bij 50 % WFPS, zoals te zien op Figuur 4-6. Bij 75 % WFPS liggen de mineralisatiecurven dichter bijeen (Figuur 4-7). De stalen afkomstig van bemonsteringsplaats 1 (1,79 g/cm3) hadden duidelijk de laagste C-mineralisatie. De stalen van bemonsteringsplaats 2 (1,41 g/cm3) vertoonden de hoogste C-mineralisatie.

Gem. C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

100,0

10,0 P1

P2

P3

1,0

0,1 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

Figuur 4-6: gemiddelde C-mineralisatie van de verschillende bemonsteringsplaatsen bij 50% WFPS (logaritmische schaal)

Gem. C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

100,0

10,0 P1

P2

P3

1,0

0,1 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

Figuur 4-7: gemiddelde C-mineralisatie van de verschillende bemonsteringsplaatsen bij 75% WFPS (logaritmische schaal)

49

4 . 2 . 4 Ef f e c t va n h e t vo c h t g e h a l t e o p d e k o o l s t o fm i n e r a l i s a t i e Voor de 3 bemonsteringsplaatsen is de algemene trend dat de stalen met 75 % WFPS een hogere C-mineralisatie vertonen dan de stalen met 50 % WFPS van eenzelfde bemonsteringsplaats. De uitzondering hierop is bemonsteringsplaats 3 waarbij de gemiddelde C-mineralisatie telkens hoger is bij de stalen met 50 % WFPS. Hierbij dient echter vermeld dat staal 33 een abnormaal hoge C-mineralisatie vertoont in vergelijking met de andere vijf stalen. Daarom wordt staal 33 buiten beschouwing gelaten, en is de trend ook van toepassing op bemonsteringsplaats 3. Voor de stalen van bemonsteringsplaats 1 verloopt de C-mineralisatie geleidelijker bij de stalen met 75 % WFPS dan bij de stalen met 50 % WFPS (Figuur 4-8). Door beide curven te vergelijken valt ook op dat zowel de initiële C-mineralisatie als de gestabiliseerde Cmineralisatie sneller verloopt bij de stalen met 75 % WFPS. Na stabilisatie is de snelheid van de C-mineralisatie ruim 5 keer hoger bij 75 % WFPS dan bij 50 % WFPS.

Gem. C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

100,0 50% WFPS gemiddelde

10,0

1,0

75% WFPS gemiddelde

0,1 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

Figuur 4-8: gemiddelde van de C-mineralisatie voor bemonsteringsplaats 1 (logaritmische schaal)

Voor de stalen van bemonsteringsplaats 2 verloopt de C-mineralisatie zowel bij de stalen met 50 % WFPS als bij de stalen met 75 % WFPS zeer geleidelijk (Figuur 4-9). Door beide curven te vergelijken valt ook op dat zowel de initiële C-mineralisatie als de gevorderde Cmineralisatie sneller verloopt bij de stalen met 75 % WFPS. Dit is echter minder uitgesproken dan bij bemonsteringsplaats 1. Na stabilisatie is de snelheid van de Cmineralisatie ongeveer 2 keer hoger bij 75 % WFPS dan bij 50 % WFPS.

50

Gem. C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

1000 50% WFPS gemiddelde

100

10

75% WFPS gemiddelde

1 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

Figuur 4-9: gemiddelde van de C-mineralisatie voor bemonsteringsplaats 2 (logaritmische schaal)

Voor de stalen van bemonsteringsplaats 3 (intermediaire bulkdichtheid) verloopt de Cmineralisatie sneller bij 75 % WFPS dan bij 50 % WFPS (Figuur 4-10). Dit is echter zonder rekening te houden met staal 33 dat een abnormaal hoge initiële C-mineralisatiesnelheid liet optekenen, met name 3 tot 10 keer hoger dan de andere stalen bij 50 % WFPS. Indien er wel rekening gehouden wordt met staal 33, is de mineralisatie bij 50 % WFPS over de ganse lijn hoger dan bij 75 % WFPS.

Gem. C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

1000 50% WFPS gemiddelde 100 75% WFPS gemiddelde 10 Staal 33 (50% WFPS) 1 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

Figuur 4-10: gemiddelde van de C-mineralisatie voor bemonsteringsplaats 3 met staal 33 als aparte curve vanwege de uitzonderlijk hoge C-mineralisatie (logaritmische schaal)

51

4 . 3 P o r i ë n g r o o t t e ve r d e l i n g e n w a t e r ve r d e l i n g i n d e p o r i ë n r u i m t e 4 . 3 . 1 Va r i a t i e i n p o ri ë n g r o o t t e ve r d e l i n g Op Figuur 4-11 is de gemiddelde porositeit uitgezet per bemonsteringsplaats, berekend uit de analyseresultaten van de CT-beelden. De gemiddelde porositeit van bemonsteringsplaats 1 (1,79 g/cm3) is 13,1 %, voor bemonsteringsplaats 2 (1,41 g/cm3) is dit 11,7 % en voor bemonsteringsplaats 3 (1,67 g/cm3) is dit 23,9 %. Volgens de gemeten bodemdichtheden van de bodems zou bemonsteringsplaats 2 het hoogste poriëngehalte moeten hebben. X-stralen tomografie is echter beperkt in resolutie en voor de hier gescande bodemkolommen kunnen poriën kleiner dan 9,44 µm niet worden waargenomen. Mogelijk was een groot deel van de poriënruimte van bemonsteringsplaats 2 kleiner dan de resolutie van de X-stralen CT-beelden.

25%

Poriëngehalte

20% 15% 10% 5% 0% P1

P2

P3

Bemonsteringsplaats

Figuur 4-11: porositeit (> 9,44 µm) voor de drie bemonsteringsplaatsen, bepaald door analyse van de CT data

Figuur 4-12 geeft het percentage van het totale poriënvolume dat zich bevindt binnen een bepaalde poriëngrootteklasse. De grafiek toont duidelijk aan dat het grootste poriënvolume voorkomt als poriën met een equivalente diameter tussen 180 en 1200 µm. Er is een beperkte variatie in de poriëngrootteverdeling tussen de geselecteerde bodems met een verschillend watergehalte. Poriën met een equivalente diameter tussen 180 en 1200 µm maken voor bodems met 50 % en 75 % WFPS respectievelijk 74 % en 78% van het totale poriënvolume uit. Poriën met een equivalente diameter groter dan 1200 µm maken voor bodems met 50 % en 75 % WFPS respectievelijk 15 % en 10 % van het totale poriënvolume uit.

52

Gehalte van totaal poriënvolume

100% 90% 80% 70% 60% 50% WFPS 75% WFPS

50% 40% 30% 20% 10% 0% > 1200

180-1200 130-180

110-130

80-110

< 80

Poriënklasse in eq. diameter (µm)

Figuur 4-12: verdeling van het poriënvolume per poriënklasse voor 50 % WFPS en 75 % WFPS

4 . 3 . 2 Ef f e c t va n d e b o d e m vo c h t i g h e i d o p d e w at e r ve r d e l i n g i n d e p o r i ë n Het aangelegde vochtgehalte (50 % WFPS en 75 % WFPS) werd door het analyseren van de CT-beelden gelinkt aan de waterverdeling in de verschillende poriënklassen. Figuur 4-13 geeft de resultaten weer die zijn bekomen door het verwerken van de CT data. De algemene trend wat betreft het watergehalte in de poriën is dat naarmate de poriëngrootte daalt, het watergehalte stijgt. Uit de analyse van de CT-beelden blijkt dat de kleinste poriënklassen met een equivalente diameter kleiner dan 180 µm nagenoeg volledig gevuld zijn met bodemwater met een verwaarloosbaar klein verschil tussen het vooraf aangelegde 50 % en 75 % WFPS. Het watergehalte in de poriënklassen met een equivalente diameter tussen 180 en 1200 µm is veel lager in vergelijking met de kleinere poriën. Het watergehalte schommelt hierbij rond 45 % voor de poriën met zowel 50 als 75 % WFPS. De poriën met een equivalente diameter groter dan 1200 µm worden gekenmerkt door een laag percentage van de poriënruimte die met water gevuld is. Het watergehalte schommelt rond 20 %. Het verschil tussen poriën met 50 en 75 % WFPS is groter dan bij de andere poriënklassen, maar nog steeds relatief klein.

53

Gehalte van poriën watergevuld

100% 90% 80% 70% 60% 50% WFPS 75% WFPS

50% 40% 30% 20% 10% 0% > 1200

180-1200 130-180

110-130

80-110

< 80

Poriënklasse in eq. diameter (µm)

Figuur 4-13: verdeling van het bodemvocht in de verschillende poriënklassen voor 50 % WFPS en 75 % WFPS

4 . 4 R e l e va n t e p o r i ë n k l a s s e n vo o r k o o l s t o f m i n e r a l i s a t i e De relevantie van het poriënvolume of de waterverdeling over de poriënklassen voor de koolstofmineralisatie werd onderzocht door middel van een correlatieanalyse met de data afkomstig van de C-mineralisatie. Een eerste reeks correlatiecoëfficiënten werd bepaald tussen het volume per poriënklasse en de gestabiliseerde koolstofmineralisatie. Het verschil werd onderzocht tussen de stalen met 50 % WFPS en 75 % WFPS (Figuur 4-15). Uit deze resultaten blijkt er een sterkere correlatie bij 50 % WFPS dan bij 75 % WFPS. Het verband tussen C-mineralisatie en het gehalte poriën met een equivalente diameter groter dan 1200 µm is positief bij 50 % en 75 % WFPS. Voor poriën met een equivalente diameter kleiner dan 1200 µm wordt er zowel bij 50 % WFPS als bij 75 % WFPS een negatieve correlatie bekomen. Dit betekent dat bij een groter watergehalte in de poriën met een equivalente diameter kleiner dan 1200 µm, de koolstofmineralisatie lager zal zijn.

54

Correlatiecoëfficiënt

1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1

50% WFPS 75% WFPS

10

100

1000

10000

Poriënklasse volgens eq. diameter (µm)

Figuur 4-14: correlaties tussen de poriënvolumeverdeling per poriënklasse en de gestabiliseerde C-mineralisatie in functie van de poriënklasse volgens de equivalente diameter

Correlatiecoëfficiënt

Een tweede voorwaardelijke correlatieanalyse werd uitgevoerd tussen de C-mineralisatie en het watergevuld percentage van iedere poriënklasse (Figuur 4-14). Ook hier werden negatieve correlaties gevonden voor de poriënklassen met een equivalente diameter kleiner dan 1200 µm. Voor de poriënklasse met een equivalente diameter groter dan 1200 µm was er een positieve correlatie bij 50 % WFPS, bij 75 % WFPS was er een negatieve correlatie. 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1

50% WFPS 75% WFPS

10

100

1000

10000

Poriënklasse volgens eq. diameter (µm)

Figuur 4-15: correlaties tussen het watergehalte per poriënklasse en de gestabiliseerde C-mineralisatie in functie van de poriënklasse volgens de equivalente diameter

55

5 DISCUSSIE

5.1 Testexperimenten Om een fijne resolutie (10 µm) te behalen in X-stralen CT dienden de incubaties te worden uitgevoerd met kleine bodemkolommen (diameter 10 mm). Uit de resultaten van de testexperimenten met variërende groottes van bodemkolommen bleek echter dat de variabiliteit op de C-mineralisatie groter was bij dergelijk kleine bodemstalen. Het was daarom aangewezen om een groot aantal bodemstalen te gebruiken voor de miniatuurincubaties van onverstoorde bodemstalen. Een groter aantal herhalingen per bemonsteringsplaats liet een snellere detectie toe van eventuele afwijkingen, en dus was de gemiddelde waarde van de C-mineralisatie minder afhankelijk van afzonderlijke bodemstalen. De nauwkeurigheid van de CO2-metingen door GC met een ECD was acceptabel bij de experimentele opstelling met enkel lage CO2 concentraties in de incubatiecontainers. Deze methode wordt echter niet aangeraden door de meeste literatuur. Er bestaan gevoeliger detectoren voor CO2-metingen zoals de TCD. Dit is al besproken in de literatuurstudie onder 2.2.2.2 CO2-metingen. Een beperking van de gebruikte methode was het aanduiden van de piek bij lage CO2concentraties. Bij lage CO2-concentraties was er namelijk veel ruis aanwezig, waardoor het niet duidelijk was waar het precieze begin- en eindpunt van de piek lag. Deze variabiliteit werd enigszins gecorrigeerd door op een consistente wijze het begin- en eindpunt van de pieken aan te duiden. Vooral na het stabiliseren van de mineralisatie vormde ook de beperkte grootte van de piek een probleem. Dit zorgde in het algemeen voor een lagere nauwkeurigheid van de metingen die zijn uitgevoerd na ongeveer 20 dagen incuberen. Uit de resultaten van de incubatietests met verschillende concentraties aan KI (namelijk een X-stralen contraststof), blijkt er duidelijk een vermindering van de C-mineralisatie op te treden bij hoge KI concentraties. Deze veelgebruikte contraststof wordt dus beter niet gebruikt voor het bevochtigen van de bodemstalen. Bij parallelle tests, waarbij een deel van de stalen wordt gescand terwijl een ander deel wordt gebruikt voor incubatieexperimenten kan een KI-oplossing eventueel wel worden gebruikt als contraststof.

56

5 . 2 E f f e c t va n vo c h t g e h a l t e , o r g a n i s c h e s t o f g e h a l t e e n schijnbare dichtheid op de koolstofmineralisatie Een duidelijk effect van de bulkdichtheid of schijnbare dichtheid op de koolstofmineralisatie kon goed worden afgeleid uit de resultaten. De duidelijkste verschillen komen voor bij de stalen met 50 % WFPS. Er was namelijk te zien dat de gemiddelde koolstofmineralisatie het laagst was bij de hoogste bulkdichtheid. Een hoge bulkdichtheid wijst op een compactere stapelwijze van bodemdeeltjes. Door de compactere structuur zou zuurstof minder goed kunnen verspreiden in de bodem waardoor de in hoofdzaak aerobe BOS afbraakprocessen geremd worden. Omgekeerd zou koolstofdioxide minder snel geëvacueerd kunnen worden uit de bodem. De stalen met 75 % watergevulde poriën vertonen voor bemonsteringsplaatsen 1 en 2 een hogere koolstofmineralisatie dan de stalen met 50 % watergevulde poriën. Wat betreft bemonsteringsplaats 3 is de gemiddelde koolstofmineralisatie bij 50 % watergevulde poriën hoger dan bij 75 % watergevulde poriën. Indien de sterk afwijkende mineralisatiecurve van staal 33 buiten beschouwing gelaten wordt, is dit echter niet het geval, en is de gemiddelde mineralisatie voor bemonsteringsplaats 3 bij 75 % watergevulde poriën ook hoger dan bij 50 % watergevulde poriën. De waarschijnlijkste reden is dat er bij 75 % watergevulde poriën meer water beschikbaar is voor de microorganismen in de bodem. Zoals beschreven in 2.1.2.2 Poriën is water een essentiële factor voor de microbiologische omzettingsprocessen in de bodem. Volgens Linn and Doran (1984) komt de maximale aerobe microbiële activiteit in de bodem voor bij 60 % watergevulde poriën. Bij hogere waarden zou er inhibitie optreden wegens te weinig aeratie, terwijl er bij lagere waarden te weinig water beschikbaar zou zijn. Mogelijk kan hieruit besloten worden dat 75 % WFPS dichter bij het optimaal vochtgehalte voor aerobe BOS afbraak ligt voor de onderzochte bodems. Als mogelijke verklaring voor deze afwijking dient vermeld dat de experimenten op miniatuurschaal werden uitgevoerd en daardoor was het volume van de bodemstalen klein. Dit betekent dat luchtzuurstof relatief gemakkelijk tot in de kern van de stalen kon geraken, aangezien de afstand tussen de kern en het oppervlak van de bodemkolom zeer klein was. Mogelijk hield dit in dat er bij meer dan 60 % watergevulde poriën toch nog voldoende aeratie kon plaatsvinden van de volledige bodemkolommen. Bij 50 % WFPS is er mogelijk een licht vochttekort voor de microbiële activiteit in een deel van de poriënruimte. Daarentegen zou een hoger vochtgehalte dan 75 % WFPS wellicht anaerobe condities met zich meebrengen in een groter deel van de poriënruimte, met een inhibitie van microbiële activiteit en BOS afbraak tot gevolg.

57

Uit de resultaten van de koolstof- en stikstofanalyses blijken de C/N verhoudingen van alle stalen tussen 12 en 14 te liggen. Dit is een lage ratio voor bodems afkomstig uit een bos, maar gangbaar voor landbouwbodems. Er bleek geen verband te zijn tussen de Cmineralisatie enerzijds en het organische C-gehalte of de C/N verhouding anderzijds. Dit is ook logisch gezien de beperkte variatie voor beide parameters.

5 . 3 P o r i ë n g r o o t t e ve r d e l i n g e n w a t e r ve r d e l i n g i n d e p o r i ë n r u i m t e Er kunnen bedenkingen geplaatst worden bij het feit dat het vooraf aanduiden van de luchtgevulde en watergevulde poriën gebeurde door visueel onderzoek van de CTbeelden. Het is aan de hand van veronderstellingen dat een porie beschouwd kon worden als watergevuld of luchtgevuld. Bij de meeste CT-beelden was dit geen probleem omwille van voldoende grote poriën met duidelijk indeelbare grijswaarden. Bij andere CT-beelden gaf dit meer problemen, onder meer door het kleine verschil in grijswaarde tussen organisch materiaal en water. Een contraststof zou dit probleem waarschijnlijk kunnen oplossen. Helaas, zoals reeds beschreven bleek dat bij toedienen van een contraststof remming optrad van de koolstofmineralisatie. Niet alle CT-scans werden gemaakt met exact dezelfde instellingen van de CT-scanner. Dit maakte het minder eenvoudig om water en lucht op een gelijkaardige manier aan te duiden voor alle stalen. Hierdoor werd er waarschijnlijk ook een zekere fout gemaakt op de water- en luchtverdeling in de verschillende stalen. Ook konden er alleen poriën met een diameter groter dan 10 µm onderscheiden worden met de CT-scanner. Dit komt doordat de resolutie van de voxels gelijk is aan 9,44 µm. Daarbij komt nog dat vooral de kleinste poriën zijn gevuld met bodemvocht. De volledige verdeling van het bodemvocht over alle bodemporiën kan dus niet bekomen worden door onderzoek met X-stralen CT gezien de beperkte resolutie. Wel kan er een goed beeld worden gevormd van de beschikbaarheid van water en de verhouding van lucht tegenover water in de grote en middelgrote poriën. Gemiddeld 75 % van de poriënruimte in de bodemmatrix lag in de poriënklasse van 180 tot 1200 µm equivalente diameter. Dit is een uiterst hoog percentage en is deels te verklaren door de resolutie van de CT-scanner en de toegepaste filters. Een belangrijkere factor is waarschijnlijk de klassenbreedte die veel breder is dan de andere poriënklassen. Wat betreft het watergehalte bleken de kleinste poriën met een equivalente diameter kleiner dan 180 µm nagenoeg volledig gevuld te zijn met bodemvocht. Ook verschillen tussen de aangelegde 50 % of 75 % WFPS leken bij de kleine poriën niet aanwezig te zijn. De poriënklasse van 180 tot 1200 µm bevatte gemiddeld 45 % water en de poriënklasse > 1200 µm bevatte gemiddeld 20 % water. Ook bij deze grotere poriën waren er geen duidelijke verschillen aanwezig tussen de aangelegde 50 % en 75 % WFPS. Dit resultaat is opmerkelijk gezien de redelijk grote verschillen tussen beide aangelegde vochtgehalten.

58

5 . 4 R e l e va n t e p o r i ë n k l a s s e n vo o r k o o l s t o f m i n e r a l i s a t i e Het aandeel van verschillende poriënklassen in de globale microbiële activiteit en BOS afbraak werd specifiek bekeken aan de hand van een correlatie-analyse tussen de Cmineralisatie data enerzijds en de verdeling van de poriënruimte in poriënklassen (en waterverdeling daarbinnen) anderzijds. Een correlatiecoëfficiënt geeft goed weer in welke mate er een verband is tussen twee variabelen. Tijdens de verwerking van de resultaten werd er uitgegaan van een lineaire correlatie. Het is echter mogelijk dat er een nietlineaire correlatie bestaat tussen de onderzochte variabelen, hoewel dit niet duidelijk bleek tijdens de verwerking van de gegevens. De resultaten tonen aan dat de beide onderzochte correlaties sterker zijn voor bodems met 50 % WFPS dan voor bodems met 75 % WFPS. Voor de bodems met 50 % WFPS leunen de correlatiecoëfficiënten in alle gevallen dichter aan bij -1 of 1 dan voor de bodems met 75 % WFPS. De correlatie tussen poriënruimteverdeling en koolstofmineralisatie is negatief voor zowel de bodems met 50 % als 75 % watergevulde poriën. Alleen bij poriën met een equivalente diameter die groter is dan 1200 µm is de correlatiecoëfficiënt positief. Voor de poriënklassen tot 1200 µm zijn de correlatiecoëfficiënten redelijk gelijklopend. Deze schommelen voor de bodems met 50 % watergevulde poriën rond -0,6 en voor de bodems met 75 % watergevulde poriën tussen -0,2 en -0,4. Volgens de bekomen resultaten hebben poriën met een equivalente diameter groter dan 1200 µm een positieve invloed op de koolstofmineralisatie. Poriën met een kleinere equivalente diameter hebben een negatieve invloed. Het onderzoek van Strong et al. (2004) waarbij het verband tussen poriënvolume en overgebleven koolstof (biomassa) werd bepaald na 90 dagen, gaf andere resultaten. De grootste microbiële activiteit – en dus de snelste koolstofmineralisatie – kwam volgens de studie Strong et al. (2004) voor in poriën met een equivalente diameter tussen 80 en 180 µm (diameter poreneck tussen 15 en 60 µm). Kleinere en grotere poriën hadden een veel lagere koolstofmineralisatie. De reden waarom de poriën met een equivalente diameter kleiner dan 1200 µm een negatieve correlatiecoëfficiënt hebben kan zijn omdat Strong et al. (2004) volgens een andere methode de afbraak van BOS inschatten. Strong et al. (2004) maakten bijvoorbeeld gebruik van een additionele koolstofbron terwijl tijdens de besproken experimenten geen extra koolstofbron werd toegevoegd. In de studie van Strong et al. (2004) werden – in tegenstelling tot dit onderzoek – ook geen directe metingen uitgevoerd ter bepaling van de C-mineralisatie, zoals het opmeten van CO2 fluxen. De analyse van Strong et al. (2004) leverde dus wellicht enkel een indirecte analyse.

59

Aangzien de X-stralen CT scans aangeven dat slechts een beperkt deel van de poriën met equivalente diameter > 1200 µm met vocht gevuld zijn, was een positief verband tussen hun volume en de koolstofmineralisatie onverwacht. De poriëngrootteverdeling bepaalt naast de vochtverdeling in de bodem, logischerwijs ook de luchtgevulde porositeit en aeratie van de bodems. Hoewel gezien het beperkte vochtgehalte er wellicht weinig afbraak plaatsvond in de macroporiën, kan de positieve correlatie voor poriën groter dan 1200 µm verklaard worden door de goede aeratie van kleinere poriën die nabij de grote luchtgevulde poriën lagen. Dergelijke nabijgelegen kleinere poriën waren bij de aangelegde vochttrappen wel gevuld met water, maar genoten mogelijk van een optimale gasuitwisseling door hun ligging nabij poriën > 1200 µm. Hierdoor hadden deze poriën hoge O2 concentraties in het bodemvocht. Een alternatieve verklaring voor het feit dat alleen voor de grootste poriën de correlatiecoëfficiënt positief is, kan mogelijk ook te verklaren zijn door het vele organische materiaal in deze poriën. Tijdens het verwerken van de CT-beelden was reeds te zien dat grote stukken organisch materiaal werden ingedeeld bij de grootste poriënklasse. Dit kwam vanwege eenzelfde grijswaarde (attenuering) van het organisch materiaal en het bodemvocht. Bodems met veel verse deeltjes plantenresten en particulair materiaal beschikten bijgevolg over een groter volume poriën met > 1200 µm equivalente diameter. Daardoor werd er een positieve correlatiecoëfficiënt bekomen voor de grootste poriënklasse. Voor de negatieve correlatiecoëfficiënten die gevonden werden voor de poriënklasse van 180 tot 1200 µm is er niet direct een eenduidige verklaring te vinden. De meest significante correlatie tussen watergehalte en koolstofmineralisatie werd bekomen bij poriën met een equivalente diameter tussen 180 en 1200 µm; wat logisch verklaard kan worden door hun groot aandeel in de totale poriënruimte. Bij 50 % watergevulde poriën is c gelijk aan -0,79 en bij 75 % watergevulde poriën is c gelijk aan 0,56. Aangezien de correlatie bij deze poriënklasse overal negatief is, uitgezonderd voor poriën > 1200 µm bij 75 % WFPS, zou een stijgend watergehalte er in principe voor zorgen dat de koolstofmineralisatie trager zou verlopen. Een mogelijke verklaring voor negatieve correlaties (ondanks het feit dat mineralisatie voornamelijk in de fijnere poriënklassen plaatsvindt) kan zijn dat nagenoeg alle poriën in de poriënklassen < 180 µm gevuld zijn met water, zowel bij 50 % WFPS als bij 75 % WFPS. Een groot deel van deze fijnere poriënruimte (niet nabij luchtgevulde macroporiën) draagt door zuurstofgebrek wellicht niet bij tot de C-mineralisatie. Een groter relatief aandeel van deze poriën brengt indirect een lager percentage macroporositeit, en bijgevolg minder aeratie en mineralisatie met zich mee. Voor de 180 tot 1200 µm poriënklasse gaat bovenstaande hypothese wellicht niet op gezien slechts 45 % van deze poriën gevuld is met water. Een eenduidige verklaring is hiervoor dan ook niet te vinden. Echter, deze poriënklasse maakt ongeveer 75 % van het totale poriënvolume uit. De poriën zijn waarschijnlijk zeer divers wat betreft de vorm, maximale opening, porenecks en turtuositeit. Dit maakt dat (zoals eerder reeds aangehaald) een verdere opsplitsing van deze poriënklasse vereist is bij later onderzoek van bodems door middel van X-stralen tomografie.

60

6 BESLUIT

De bedoeling van deze masterproef was het aantonen van de link tussen enerzijds de koolstofmineralisatie en anderzijds de poriënruimte in de bodemmatrix. De in goed beluchte bodems voorkomende koolstofmineralisatie is direct gelinkt aan de bodemrespiratie. De CO2-flux uit een bodem houdt bijgevolg rechtstreeks verband met de snelheid van mineralisatie van de bodem organische stof. De poriënruimte wordt ingenomen door zowel bodemlucht als bodemvocht. Deze twee bodembestanddelen hebben een sleutelrol wat betreft het regelen van de koolstofmineralisatie. Het betreft de wijze waarop lucht en water verdeeld zijn over de poriënruimte, en hoe de poriënruimte zelf verdeeld is over de bodemmatrix. Het zijn belangrijke factoren die er voor zorgen dat micro-organismen de bodem organische stof al of niet kunnen mineraliseren. Enerzijds zijn water en zuurstof noodzakelijke groeifactoren, terwijl de poriënruimteverdeling bepaalt of organische stof beschikbaar is voor mineralisatie. De experimenten ter bepaling van de koolstofmineralisatie toonden reeds enkele verwachtte relaties aan tussen bodemvochtgehalte, bodemdichtheid en bodemrespiratie. Hieruit kan reeds worden besloten dat de experimentele opzet, namelijk opvolging van koolstofmineralisatie in ongestoorde miniatuur bodemkolommen geslaagd was. Dergelijke proefopzet, in combinatie met X-stralen (computer-) tomografie, heeft bijgevolg potentieel voor toekomstig gebruik in onderzoek naar de link tussen bodemstructuur en bodem organische stof dynamiek. Allereerst vertonen de stalen die op een laag vochtgehalte van 50 % watergevulde poriënruimte (WFPS) zijn gebracht, een tragere initiële en gestabiliseerde koolstofmineralisatie dan de stalen die op 75 % WFPS zijn gebracht. Enerzijds kan een verklaring zijn dat 75 % WFPS dichter bij het optimale vochtgehalte ligt dan 50 % WFPS. Dit kan anderzijds ook verklaard worden door de kleine schaal waarop er gewerkt werd, waardoor luchtzuurstof gemakkelijk tot in de kern van de bodem kon geraken. Vervolgens zijn er ook verschillen merkbaar bij variërende bodemdichtheden. Vooral de bodem met de hoogste dichtheid vertoonde een lagere mineralisatie die gedurende de campagne 5 tot 10 keer lager was dan de bodems met een matige en lage dichtheid. Dit resultaat toont aan dat bij een hoge densiteit, de gasuitwisseling met de omgeving moeilijker verloopt wat een remming van de microbiële activiteit met zich meebrengt. Ten slotte is er nog een grote variabiliteit merkbaar tussen de stalen met eenzelfde voorbehandeling. Dit komt door de natuurlijke variatie van de mineraliseerbare organische stof op centimeter- tot millimeterschaal. Tijdens de experimenten waren CO2-fluxen van sommige stalen tot 5 keer hoger dan de gemiddelde CO2-flux van de stalen met dezelfde voorbehandeling. Een dergelijk grote natuurlijke variabiliteit zal in de toekomst enkel opgevangen kunnen worden door een experimentele opzet met een groot aantal herhalingen. 61

Wat betreft de CT-analyses van de bodemstalen was het grootste deel (ongeveer 75 %) van de poriënruimte ingedeeld in de poriënklasse met een equivalente diameter tussen 180 en 1200 µm. Dit kan deels verklaard worden door de resolutie van de CT-scanner (9,44 µm) en de bodemstructuur, maar zeker ook door de klassenbreedte (vergeleken met de andere poriënklassen). De poriën met een equivalente diameter kleiner dan 180 µm bleken vrijwel volledig verzadigd te zijn met water. De poriënklasse tussen 180 en 1200 µm was voor ongeveer 45 % gevuld met water en voor poriën groter dan 1200 µm bleek slechts 20 % van de ruimte ingenomen te zijn door water. De vochtverdeling in de poriënruimte van onverstoorde bodemkolommen na incubatie werd in dit experiment voor de eerste keer direct gekwantificeerd uit X-stralen CT data. Zo werd er geobserveerd dat de correlatie tussen poriënruimteverdeling en koolstofmineralisatie negatief was voor alle poriënklassen, behalve voor deze met een equivalente diameter groter dan 1200 µm. Een mogelijk eerste verklaring hiervoor is het belang van de grote poriën voor de aeratie van de bodem. Het zijn deze poriën die vrijwel volledig gevuld zijn met lucht en met grote waarschijnlijkheid zorgen voor de zuurstofuitwisseling. Voor de poriënklassen tot 180 µm equivalente diameter kan de negatieve correlatie verklaard worden door de anaerobe condities die gelden in deze poriën. Deze zijn namelijk volledig met water gevuld zodat aerobe koolstofmineralisatie hierin niet kan doorgaan. Voor de negatieve correlatiecoëfficiënt van de poriënklasse van 180 µm tot 1200 µm is er geen eenduidige verklaring te vinden, aangezien deze poriënklasse slechts voor 45 % met water was gevuld. Het bepalen van de poriën- en waterverdeling in de bodemmatrix gebeurde door het nemen van CT-scans met een daaraan gekoppelde kwantificering van de beelden. Los van de vele voordelen van deze techniek dienen er ook enkele bedenkingen gemaakt te worden. Niet alle stalen werden volgens dezelfde instellingen gescand waardoor de latere verwerking van de beelden minder eenduidig was. Ook het aanduiden van de scheidingsgrenzen voor de grijswaarden tussen bodemdeeltjes, water en lucht gebeurde visueel en is in essentie nog subjectief waardoor de kans op eventuele fouten groter wordt. Verder dienden ook keuzes gemaakt te worden voor de beschrijving van de poriënruimteverdeling (equivalente diameter, watergevuld percentage …) welke op zich een grote invloed hebben op de verdere correlatieanalyse. Andere denkbare parameters (maximale opening van de poriën, volume van de poriën, vormparameters, poreneck verdeling …) kunnen interessante variabelen voor een dergelijke analyse zijn. Deze dienen echter verder onderzocht te worden, wat niet mogelijk was binnen het tijdsbestek van deze masterproef. Uit deze masterproef is wel duidelijk gebleken dat nano X-stralen tomografie een veelbelovende techniek is voor niet-invasief onderzoek van de bodem. Als conclusie kan besloten worden dat, hoewel voor de dataverwerking van de ruwe CTbeelden nog verdere optimalisatie mogelijk was, deze masterproef de mogelijkheden van X-stralen tomografie aantoonde om cruciale informatie te bekomen over de link tussen poriënstructuur en afbraak van bodem organische stof. 62

7 B I B L I O G R AF I E

AGIV. 2009. Geo Vlaanderen [Online]. Available: http://www.agiv.be/gis/diensten/geovlaanderen [Accessed 09/12/2009]. BAERT, G. 2009a. Stabiliteit van de agregaten [Online]. Available: http://www.bodemacademie.nl/documenten/36.pdf [Accessed 07/10/2009]. BAERT, G. 2009b. Veldcapaciteit [Online]. Available: http://www.bodemacademie.nl/documenten/56.pdf [Accessed]. BARDGETT, R. 2005. The Biology of Soil, A community and ecosystem approach, Oxford, United Kingdom, Oxford University Press. BELLOWS, B. 2001. Nutrient Cycling in Pastures [Online]. Fayetteville, USA: Appropriate Technology Transfer for Rural Areas (ATTRA). Available: http://www.attra.ncat.org/attra-pub/PDF/nutriencycling.pdf [Accessed 08/10/2009]. BLACHFORD, S. L. 2002. CAT scanner [Online]. Available: http://www.enotes.com/howproducts-encyclopedia/cat-scanner/ [Accessed 06/10/2009]. BOT, A. & BENITES, J. 2005. The importance of soil organic matter. Rome, Italy: Food and Agriculture Organisation of the United Nations. BOUCKAERT, L., VAN LOO, D., SLEUTEL, S., DE NEVE, S., JACOBS, P. & VAN HOOREBEKE, L. Year. Application of X-ray tomography for quantification of the soil pore structure and visualization of soil organic matter. In: 19th Annual VM Goldschmidt Conference, Jun 21 2009 Davos, SWITZERLAND. Pergamon-Elsevier Science Ltd, A145-A145. BUTLER, J. N. 1991. Carbon dioxide equilibria and their applications, Chelsea, USA, Lewis Publishers. CAMPBELL, C. D., CHAPMAN, S. J., CAMERON, C. M., DAVIDSON, M. S. & POTTS, J. M. 2003. A rapid microtiter plate method to measure carbon dioxide evolved from carbon substrate amendments so as to determine the physiological profiles of soil microbial communities by using whole soil. Applied and Environmental Microbiology, 69, 3593-3599. CARTER, M. R. & STEWART, B. A. 1996. Stucture and Organic Matter Storage in Agricultural Soils, London, United Kingdom, CRC Lewis Publishers. DAM, T., LIP, R. & WEISSMAN, F. 1997. Techniek in de radiologie, Maarssen, Netherlands, Elsevier gezondheidszorg. DE GRYZE, S., JASSOGNE, L., SIX, J., BOSSUYT, H., WEVERS, M. & MERCKX, R. 2006. Pore structure changes during decomposition of fresh residue: X-ray tomography analyses. Geoderma, 134, 82-96.

63

DE NEVE, S., SLEUTEL, S. & HOFMAN, G. 2003. Carbon mineralization from composts and food industry wastes added to soil. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 67, 13-20. DE WEVER, H., STRONG, D. T. & MERCKX, R. 2004. A system for studying the dynamics of gaseous emissions in response to changes in soil matric potential. Soil Science Society of America Journal, 68, 1242-1248. DIERICK, M., VAN HOOREBEKE, L., JACOBS, P., MASSCHAELE, B., VLASSENBROECK, J., CNUDDE, V. & DE WITTE, Y. 2008. The use of 2D pixel detectors in micro- and nano-CT applications. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research Section a-Accelerators Spectrometers Detectors and Associated Equipment, 591, 255-259. DOELSCH, E., MASION, A., CAZEVIEILLE, P. & CONDOM, N. 2009. Spectroscopic characterization of organic matter of a soil and vinasse mixture during aerobic or anaerobic incubation. Waste Management, 29, 1929-1935. GARCIA-MONTIEL, D. C., MELILLO, J. M., STEUDLER, P. A., TIAN, H., NEILL, C., KICKLIGHTER, D. W., FEIGHL, B., PICCOLO, M. & CERRI, C. C. 2004. Emission of N2O and CO2 from Terra Firme forests in Rondônia, Brazil. Ecological Applications, 14, 214-220. GONOD, L. V., CHENU, C. & SOULAS, G. 2003. Spatial variability of 2,4dichlorophenoxyacetic acid (2,4-D) mineralisation potential at a millimetre scale in soil. Soil Biology & Biochemistry, 35, 373-382. GREENLAND, D. J. 1981. SOIL-MANAGEMENT AND SOIL DEGRADATION. Journal of Soil Science, 32, 301-&. GREGOR, J., GLEASON, S. S., PAULUS, M. J. & CATES, J. 2002. Fast Feldkamp reconstruction based on focus of attention and distributed computing. International Journal of Imaging Systems and Technology, 12, 229-234. HEIJS, A. W. J., DELANGE, J., SCHOUTE, J. F. T. & BOUMA, J. 1995. COMPUTEDTOMOGRAPHY AS A TOOL FOR NONDESTRUCTIVE ANALYSIS OF FLOW PATTERNS IN MACROPOROUS CLAY SOILS. Geoderma, 64, 183-196. HORTON, R. & WILLIAM, A. J. 2004. Soil Physics, New Jersey, USA, John Wiley & Sons. KAUFMANN, K., CHAPMAN, S. J., CAMPBELL, C. D., HARMS, H. & HOHENER, P. 2006. Miniaturized test system for soil respiration induced by volatile pollutants. Environmental Pollution, 140, 269-278. KETTERINGS, Q., REID, S. & RAO, R. 2007. Agronomy Fact Sheet Series: Cation Exchange Capacity (CEC) [Online]. New York, USA: Cornell University. Available: http://nmsp.css.cornell.edu/publications/factsheets/factsheet22.pdf [Accessed 21/10/2009]. LINN, D. M. & DORAN, J. W. 1984. Effect of Water-Filled Pore Space on Carbon Dioxide and Nitrous Oxide Production in Tilled and Nontilled Soils. Soil Science Society of America Journal, 48, 1267-1272.

64

LIPSCHITZ, C., BAARS, B., VAN DEN BERG, J., JANSSEN, H. G., SCHOENMAKERS, P., TIJSSEN, R. & VONK, N. 2001. Chromatografie in de praktijk: Gaschromatografie, Den Haag, Netherlands, Hagen & Stam b.v. MOONEY, S. J. & MORRIS, C. Year. Morphological approach to understanding preferential flow using image analysis with dye tracers and X-ray computed tomography. In: 18th World Congress of Soil Science, Jul 09-15 2006 Philadelphia, PA. Elsevier Science Bv, 204-211. PULLEMAN, M. M. & MARINISSEN, J. C. Y. 2004. Physical protection of mineralizable C in aggregates from long-term pasture and arable soil. Geoderma, 120, 273-282. RETH, S., GRAF, W., REICHSTEIN, M. & MUNCH, J. C. 2009. Sustained stimulation of soil respiration after 10 years of experimental warming. Environmental Research Letters, 4, 5. ROBERTSON, G. P., COLEMAN, D. C., BLEDSOE, C. S. & SOLLINS, P. 1999. Standard soil methods for long-term ecological research, New York, USA, Oxford University Press. RYAN, M. G. & LAW, B. E. 2005. Interpreting, measuring, and modeling soil respiration. Biogeochemistry, 73, 3-27. SLEUTEL, S., CNUDDE, V., MASSCHAELE, B., VLASSENBROEK, J., DIERICK, M., VAN HOOREBEKE, L., JACOBS, P. & DE NEVE, S. 2008. Comparison of different nanoand micro-focus X-ray computed tomography set-ups for the visualization of the soil microstructure and soil organic matter. Computers & Geosciences, 34, 931-938. SLEUTEL, S., DE NEVE, S., NEMETH, T., TOTH, T. & HOFMAN, G. 2006. Effect of manure and fertilizer application on the distribution of organic carbon in different soil fractions in long-term field experiments. European Journal of Agronomy, 25, 280288. SMITH, K. A. & CRESSER, M. S. 2004. Soil and environmental analysis: modern instrumental techniques, New York, USA, Marcel Dekker. SOLLINS, P., HOMANN, P. & CALDWELL, B. A. 1996. Stabilization and destabilization of soil organic matter: mechanisms and controls. Geoderma, 74, 65-105. STRONG, D. T., DE WEVER, H., MERCKX, R. & RECOUS, S. 2004. Spatial location of carbon decomposition in the soil pore system. European Journal of Soil Science, 55, 739-750. TAINA, I. A., HECK, R. J. & ELLIOT, T. R. 2008. Application of X-ray computed tomography to soil science: A literature review. Canadian Journal of Soil Science, 88, 1-20. THERMO_ELECTRON_S.P.A. 2005. Trace GC Ultra Gas Chromatograph Operating Manual. Rodano, Italy: Thermo Electron S.p.a. THURIES, L., PANSU, M., LARRE-LARROUY, M. C. & FELLER, C. 2002. Biochemical composition and mineralization kinetics of organic inputs in a sandy soil. Soil Biology & Biochemistry, 34, 239-250.

65

TIPPKÖTTER, R., EICKHORST, T., TAUBNER, H., GREDNER, B. & RADEMAKER, G. 2009. Detection of soil water in macropores of undisturbed soil using microfocus X-ray tube computerized tomography ([mu]CT). Soil and Tillage Research, 105, 12-20. WEAVER, R. W. 2002. Methods of Soil Analysis, Part 4 – Physical Methods, Madison, USA, Soil Science Society of America. WEAVER, R. W., ANGLE, S., BOTTOMLEY, P., BEZDICEK, D., SMITH, S., TABATABAI, A. & WOLLUM, A. 1994. Methods of Soil Analysis, Part 2 - Microbiological and Biochemical Properties, Madison, USA, Soil Science Society of America. WHITE, R. E. 2006. Principles and Practice of Soil Science: The Soil as a Natural Resource, Oxford, United Kingdom, Blackwell Publishing. ZECHMEISTER-BOLTENSTERN, S. 1994. Measurement of actual and potential denitrification and soil respiration with an automated gas chromatographic system. Die Bodenkultur, 45, 219-226. ZLATKIS, A. & POOLE, C. F. 1981. Electron capture: theory and practise in chromatography, Amsterdam, Netherlands, Elsevier Scientific Publishing Company.

66

B I J L AG E 1

S T AB I L I S AT I E E N D E S T AB I L I S A T I E V AN B O S

(Sollins et al., 1996)

67

B I J L AG E 2

R E S U L T AT E N V A N D E C O 2 M E T I N G E N

Bemonsteringsplaats 1 – 50% WFPS

C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

160,0 140,0 120,0

Staal 02 Staal 03 Staal 04 Staal 05 Staal 06 Staal 07

100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen) Bemonsteringsplaats 1 – 75% WFPS

C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

160,0 140,0 120,0

Staal 08 Staal 09 Staal 10 Staal 11 Staal 12 Staal 13

100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

68

Bemonsteringsplaats 2 – 50% WFPS

C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

160,0 140,0 120,0

Staal 15 Staal 16 Staal 17 Staal 18 Staal 19 Staal 20

100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen) Bemonsteringsplaats 2 – 75% WFPS

C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

160,0 140,0 120,0

Staal 21 Staal 22 Staal 23 Staal 24 Staal 25 Staal 26

100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

69

Bemonsteringsplaats 3 – 50% WFPS

C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

160,0 140,0 120,0

Staal 28 Staal 29 Staal 30 Staal 31 Staal 32 Staal 33

100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen) Bemonsteringsplaats 3 – 75% WFPS

C-mineralisatie (mg C / dag / kg bodem)

160,0 140,0 120,0

Staal 34 Staal 35 Staal 36 Staal 37 Staal 38 Staal 39

100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 0

5

10

15

20

25

30

35

40

Tijd (dagen)

70

71