Stikstof en Ecosysteemdiensten Veranderingen en Uitdagingen
Samenvatting van de inaugurele rede uit te spreken op 15 september 2011 Wageningen Universiteit
Prof. dr. ir. Wim de Vries
1
Chemische stikstofbinding: een uitvinding met enorme invloed
Stikstof is cruciaal bij de vorming van eiwitten en is onderdeel van ons RNA en DNA: de bouwstoffen van het leven. De lucht die we inademen bestaat voor bijna 80% uit stikstof, maar die stikstof is niet beschikbaar voor mensen en dieren en evenmin voor de meeste planten. Om stikstof te kunnen gebruiken, moet het worden omgezet in reactieve vormen zoals ammoniak, nitraat en stikstofoxide. De aanwezigheid van voldoende beschikbaar stikstof is een belangrijke voorwaarde voor hoogwaardige landbouwproductie en daarmee voor de voeding van de wereldbevolking. Van nature vindt deze omzetting plaats door bliksem, waardoor luchtstikstof wordt omgezet tot stikstofoxide, en door bacteriën, die stikstof omzetten in ammoniak. Dit gebeurt ook in sommige zogenaamde vlinderbloemige planten, zoals peulen en erwten, die een symbiose vormen met bacteriën. Uit zeer recent onderzoek (Nature, Sept. 2011) is gebleken dat verwering van stikstof uit gesteenten ook een bijdrage kan leveren. De hoeveelheid die via natuurlijke (biologische) stikstofbinding en -verwering wordt geleverd, is echter bij lange na niet voldoende om de huidige wereldbevolking te voeden. De explosieve groei van de wereldbevolking van ca. 1.6 miljard in 1900 tot ca. 6.9 miljard in 2010 is mede te verklaren door de uitvinding van de chemische stikstofbinding door Fritz Haber in 1909 en de industriële productie ervan onder leiding van Carl Bosch. Aanvankelijk werd de uit luchtstikstof verkregen ammoniak door de Duitsers vooral gebruikt als grondstof voor explosieven in de oorlogsindustrie. Daardoor heeft de uitvinding aanmerkelijk bijgedragen tot een verlenging van de Eerste Wereldoorlog. Daarna is het Haber-Boschproces vooral ingezet voor de productie van stikstofkunstmest. Met name na de Tweede Wereldoorlog is het gebruik van stikstofkunstmest enorm toegenomen. Ongeveer de helft van de wereldbevolking heeft te eten dankzij het gebruik ervan. Maar er is ook een keerzijde: meer dan de helft van de stikstof in de kunstmest gaat verloren en komt in het milieu terecht. Dat is mede het gevolg van overmatig en onzorgvuldig gebruik van stikstofmeststoffen in de landbouw. Samen met stikstofuitstoot door verbrandingsemissies uit industrie, energiecentrales en verkeer veroorzaken die verliezen van reactief stikstof schade aan de volksgezondheid en de natuur en hebben ze invloed op het klimaat. In deze oratie ga ik eerst in op de veranderingen in het stikstofgebruik in de laatste 100 tot 150 jaar en de bijbehorende effecten op volksgezondheid en ecosysteemdiensten. Vervolgens op de uitdagingen die er maatschappelijk en wetenschappelijk liggen om het stikstofprobleem te onderzoeken en aan te pakken. Concreet ga ik in op:
•
•
• •
De trends in de productie en verliezen van stikstof naar het milieu op wereldschaal en de belangrijkste effecten ervan, inclusief een analyse van de kosten en baten van stikstofgebruik in Europa. De invloed van stikstof op de diensten die ecosystemen leveren, met voorbeelden op het gebied van voedselproductie, waterzuivering en koolstofvastlegging. De mogelijkheden om het stikstofprobleem aan te pakken en de kansen en uitdagingen voor de landbouw en de consument. De wetenschappelijke uitdagingen die ik zie voor de leerstoel “Integrale modellering van de effecten van stikstof”.
Al de voorbeelden zijn gericht op Europa of op wereldschaal, waarbij modellen zijn gebruikt om inschattingen te maken van de stikstofproblematiek.
2 Trends in stikstofgebruik en stikstofverliezen en effecten daarvan op lucht- en waterkwaliteit
2.1
Trends in stikstofgebruik en stikstofverliezen
Tussen 1900 en 2000 is de wereldbevolking bijna verviervoudigd, terwijl de toename van het landbouwareaal in die periode zeer beperkt bleef. De verdrietot verviervoudiging van de opbrengst in die periode is mede mogelijk gemaakt door een toename in stikstofbemesting van ca. 2 miljoen ton in 1900 tot ca. 90 miljoen ton in 2000. Verder is in die periode de stikstofoxide-emissie toegenomen van minder dan 1 miljoen ton in 1900 tot ca. 28 miljoen ton in 2000. De totale natuurlijke stikstofbinding is in die periode vrijwel gelijk gebleven. Van de geproduceerde stikstof wordt op wereldschaal bij een vegetarisch dieet gemiddeld slechts ca. 20% opgenomen. In het geval van vleesconsumptie is het zelfs minder dan 10%. De niet opgenomen stikstof wordt deels hergebruikt als dierlijke mest, vastgelegd in de bodem of weer omgezet in luchtstikstof. Een ander deel komt echter vrij door uitstoot van ammoniak, stikstofoxiden en lachgas naar de atmosfeer en door de afvoer van nitraat en ammonium naar het grond- en oppervlaktewater. De sterkste toename van de reactieve stikstofuitstoot naar lucht en water is opgetreden in Europa, de VS en centraal Azië. Voor de komende decennia wordt een verdere toename vooral in Azië en Zuid-Amerika verwacht.
2.2
Effecten op lucht en waterkwaliteit
De stikstofoxiden, die met name vrijkomen bij verbrandingsemissies door transport en industrie, zijn gemiddeld voor ca. 70% verantwoordelijk voor
verhoogde ozonconcentraties. Ozon is een giftig gas met negatieve gevolgen voor de menselijke gezondheid. Ozon is irriterend voor de ogen en de luchtwegen en inademing van het gas kan longoedeem en op astma lijkende reacties veroorzaken. In de EU-lidstaten is naar schatting sprake van 21.000 vroegtijdige sterfgevallen per jaar als gevolg van ademhalingsproblemen door ozon. De uitstoot van stikstofoxiden en ammoniak draagt tevens bij aan de vervuiling door fijn stof, vanwege de vorming van ammoniumsulfaat- en ammoniumnitraatdeeltjes. Vervuiling door fijn stof wordt geassocieerd met meer dan 455.000 voortijdige sterfgevallen per jaar in de EU-lidstaten, wat overeenkomt met bijna 4,5 miljoen verloren levensjaren. Het verlies varieert gemiddeld van enkele maanden tot ca. een jaar. Het is naar schatting het hoogst rond Nederland en in Midden-Europa. De relatieve bijdrage van stikstof aan de totale fijn stofbelasting wordt geschat op gemiddeld ongeveer 20%. De uitstoot van lachgas draagt bij aan klimaatverandering en bovendien is lachgas op dit moment de belangrijkste stof die ozon afbreekt in de stratosfeer. De afbraak van ozon veroorzaakt een toename van UV-straling en dat is een factor die bijdraagt tot huidkanker. De verhoogde toevoer van stikstof naar het oppervlaktewater leidt met name in mariene ecosystemen tot eutrofiëring. Die komt o.a. tot uiting in schadelijke algenbloei, die stank en verkleuringen van het water veroorzaken, waardoor het onbruikbaar wordt om te zwemmen. De algenbloei kan ook leiden tot toxische effecten op vissen of mensen die de vis eten. Tenslotte kan de afbraak van algen door bacteriën, die daarbij zuurstof gebruiken, leiden tot de vorming van zuurstofloze ‘dode’ zones die vissterfte veroorzaken. Dit probleem is dramatisch toegenomen in de afgelopen 50 jaar. Wereldwijd zijn er 415 kustgebieden met symptomen van eutrofiëring, waaronder 169 zuurstofloze dode zones.
3
De invloed van stikstof op ecosysteemdiensten
3.1
Het concept ecosysteemdiensten
Ecosysteemdiensten zijn diensten die ecosystemen aan de mens leveren. Een belangrijk onderscheid kan worden gemaakt in: 1. Productie van diensten, zoals de productie van voedsel, vis en hout. 2. Regulerende diensten, zoals het verstrekken van schone lucht en schoon water door het filteren van verontreinigende stoffen uit de lucht en in de bodem, en de vastlegging van koolstof in ecosystemen. 3. Culturele diensten, zoals recreatie. Vrijwel alle ecosysteemdiensten worden direct of indirect beïnvloed door stikstof, maar in deze presentatie concentreer ik mij op (i) voedselproductie, (ii) het
zelfreinigend vermogen van de bodem door stikstofomzetting naar luchtstikstof of door vastlegging in de bodem en (iii) koolstofvastlegging.
3.2
Voedselproductie
Wereldwijd heeft het gebruik van stikstofkunstmest naar schatting geleid tot graanopbrengsten die drie tot zes maal hoger zijn dan die in 1900. De plantenverdeling tot korte tarwe en rijstvariëteiten is de motor geweest voor de zogenaamde groene revolutie vanaf de jaren zestig, maar zonder stikstofkunstmest als brandstof was de opbrengstverhoging niet mogelijk geweest. De verhoogde productie van ozon, door de uitstoot van stikstofoxiden, leidt echter tot schade aan gewassen. De wereldwijde opbrengstverliezen van tarwe, rijst, maïs en soja als gevolg van verhoogde ozonconcentraties wordt geschat op 3% tot 16%, afhankelijk van het gewas. De totale wereldwijde economische schade op basis van de schade aan deze vier gewassen is geschat op een bedrag tussen de 10 en 18 miljard Euro. Ongeveer 40% van deze schade doet zich voor in China en India.
3.3
Waterzuivering
De negatieve effecten van stikstofgebruik op de waterkwaliteit worden beïnvloed door de mogelijkheid van ecosystemen om stikstof vast te leggen in de bodem of om te zetten naar luchtstikstof door denitrificatie. Modelberekeningen laten zien dat in Europese bosbodems gemiddeld bijna 50% van de stikstoftoevoer wordt vastgelegd, terwijl in landbouwgrond de vastlegging van stikstof naar schatting verwaarloosbaar is. Dit illustreert dat stikstof in bosgronden veelal nog een beperkende factor is, maar dat in landbouwgronden stikstofverzadiging is opgetreden. Er is waarschijnlijk zelfs sprake van stikstofverlies door mineralisatie uit gedraineerde veengronden ten behoeve van landbouwkundig gebruik. Omgekeerd is de geschatte omzetting van nitraat naar luchtstikstof door denitrificatie ongeveer 25% in landbouwgrond en ongeveer 15% in bosbodems. Specifieke metingen van luchtstikstofemissie en stikstofvastlegging zijn echter zeer beperkt beschikbaar. Meestal is sprake van een restterm, die is berekend op basis van alle andere stikstofinvoer- en -uitvoergegevens. Dit is duidelijk een terrein voor aanvullend onderzoek.
3.4
Koolstofvastlegging en broeikasgasemissies
De toename van CO2 in de atmosfeer is de belangrijkste oorzaak van klimaatverandering. Wereldwijd stoten we ca. 9 miljard ton koolstof uit, als gevolg van het gebruik van fossiele brandstoffen en door veranderingen in
landgebruik. Daarvan wordt 4,2 miljard ton teruggevonden in de atmosfeer. Naar schatting 2,3 miljard ton wordt geabsorbeerd door de oceanen en 2,6 miljard ton door natuurlijke ecosystemen, met name bossen. Een belangrijke vraag is: blijft deze koolstofopname in de toekomst constant of gaat ze toe- of afnemen, onder meer ten gevolge van veranderingen in de blootstelling aan stikstof en CO2 en van klimaatverandering. Recente schattingen van de bijdrage van stikstof aan de vastlegging van koolstof in oceanen en bossen op wereldschaal variëren veelal van 10% tot 20%, maar in bosgebieden zou de bijdrage ook ca. 35% kunnen zijn. De koelende werking van koolstofopname compenseert geheel de opwarmende werking van lachgasemissies als gevolg van het toegenomen stikstofgebruik. Daarnaast is sprake van een indirect schadelijk effect van ozon op de groei en koolstofvastlegging, maar dit wordt meer dan gecompenseerd door de koelende werking van stikstofdeeltjes in fijn stof. Netto lijkt stikstof dus een koelende werking te hebben op het klimaat.
3.5
Kosten en baten van stikstofgebruik
De koelende werking van stikstof door fijn stof gaat echter wel gepaard met negatieve effecten op de volksgezondheid. Bovendien leidt de verhoogde stikstofdepositie tot verlies aan biodiversiteit van ecosystemen. De geschatte afname van de diversiteit in plantensoorten in Europese natuurlijke graslanden ten gevolge van stikstof ligt op ca. 10% tot 50%, afhankelijk van de locatie. Recent is een overzicht gemaakt van de baten en kosten van verhoogde stikstofbeschikbaarheid voor Europa. De baten zijn bepaald op basis van de geschatte verhoogde voedselproductie en de prijzen op de wereldmarkt voor agrarische gewassen. De kosten zijn bepaald aan de hand van de 'betalingsbereidheid' om negatieve effecten te verminderen. Het gaat met name om kosten ter (i) vermindering van de effecten op de gezondheid, (ii) bescherming of herstel van terrestrische en mariene ecosystemen, zoals de Baltische zee, en (iii) vermindering van de uitstoot van broeikasgassen. De totale kosten variëren naar schatting tussen de 70 en 320 miljard euro per jaar, wat overeenkomt met een jaarlijks welvaartsverlies van 150 tot 740 euro per Europese burger. Ondanks de onzekerheid toont deze analyse aan dat verlies van stikstof naar lucht en water tot de grootste milieuproblemen behoort. Luchtverontreiniging en gezondheidsschade dragen daar het meeste (ongeveer 75%) aan bij. Ongeveer 60% van de kosten is gerelateerd aan de emissies van stikstofoxiden. Dit omdat de bereidheid om te betalen voor een betere gezondheid groot is, en stikstofoxiden met name van invloed zijn op de luchtkwaliteit. Ongeveer 40% van de kosten is gerelateerd aan stikstofgebruik in de landbouw. Deze kosten worden geschat op 25 tot 145 miljard euro per jaar. De economische voordelen van de landbouw worden geschat op 20 tot 80
miljard euro, op basis van de huidige voedselprijzen. De analyse illustreert dat het relevant is om een lagere stikstofbemesting in delen van Europa te overwegen, om tot een economisch optimum te komen dat ook de verborgen milieukosten omvat. Om de iets lagere gewasopbrengsten te compenseren moet de voedselproductie uiteraard verhoogd worden in andere delen van de wereld, met name door N-bemesting in gebieden met een tekort aan stikstof.
4
Mogelijkheden om het stikstofprobleem aan te pakken
Aanpak van de stikstofproblematiek is een belangrijk sleutel in de transitie naar een duurzame energiehuishouding en voedselvoorziening. Om tot een oplossing van het stikstofprobleem te komen, moet de efficiëntie van het stikstofgebruik worden verhoogd, zodat tegelijkertijd de voedselproductie toeneemt en de negatieve gevolgen van stikstof voor het milieu afnemen. Waar stikstofverliezen onvermijdbaar zijn, dient te worden gewerkt aan hergebruik van stikstof te in de vorm van stikstofkunstmest. Als dit niet lukt, kan worden ingezet op maatregelen om het verlies te laten plaatsvinden in de vorm van onschadelijk luchtstikstof of door toename van de stikstofvastlegging in de bodem. Beginnend bij het einde van de stikstofketen, namelijk de menselijke uitscheiding, kunnen de volgende maatregelen worden onderscheiden: •
•
•
•
Verhoogde rioolwaterbehandeling, waarbij nitraat weer wordt omgezet in luchtstikstof door denitrificerende bacteriën, een maatregel die specifiek van belang is in ontwikkelingslanden. Recycling van stikstof van zowel menselijk afval als dierlijk afval en dierlijke mest. Ongeveer 80% van de stikstof die wordt verwijderd in afvalwaterzuiveringsinstallaties is afkomstig van urine. Door de introductie van toiletten die faeces en urine apart opslaan, kan deze recycling sterk worden verbeterd. Ook wordt in ons land geëxperimenteerd met toiletten voor varkens, wat de mogelijkheid opent voor betere recycling, vergelijkbaar met mestverwerking. Vermindering van voedselverspilling. Dit is een zeer belangrijk aspect Het verlies van stikstof lijkt laag, maar de impact is groot. Als er geen verlies was, zou gemiddeld slechts 3 kg stikstofkunstmest nodig zijn voor 1 kg graan of groenten in plaats van 5kg. Voor vlees zou de benodigde hoeveelheid stikstofkunstmest verminderen van 12 tot 9 kg. Verbetering van de stikstofefficiëntie van kunstmest en dierlijke mest, door o.a. een betere voederconversie in de veehouderij, beperking van ammoniakverliezen, betere timing van de toediening, precisiebemesting, ontwikkeling van meer stikstofefficiënte gewasvariëteiten, etc. Een voorbeeld in ontwikkelingslanden is de implementatie van “agro-bosbouw” systemen, bijvoorbeeld door het planten van stikstof-fixerende bomen tussen de gewassen.
•
•
5
Verbeterde drainagemethoden. Een voorbeeld hiervan is het gebruik van houtsnippers in afwateringssystemen. Die doen de denitrificatie toenemen, waardoor stikstof verloren gaat als luchtstikstof in plaats van nitraat. Recent onderzoek in Wageningen geeft aan dat alle nitraat verwijderd kan worden in laboratoriumsystemen, maar dat dit wel gepaard gaat met een toename van de uitstoot van lachgas. Tot slot is een verandering in het consumptiepatroon gewenst, met name een vermindering van de (over)consumptie van dierlijke eiwitten. Als alle landen een inname van dierlijke eiwitten zouden hebben zoals in Europa of de VS het geval is, zou de vraag naar stikstofkunstmest meer dan verdubbelen. In landen als China en India wordt een sterke toename van de vleesconsumptie verwacht. Deze toename zou gecompenseerd moeten worden door een daling in Europa en de VS.
Wetenschappelijke visie op de leerstoel
Onderzoek De missie van de groep milieusysteemanalyse, waar mijn leerstoel zich bevindt, is de ontwikkeling en toepassing van innovatieve geïntegreerde onderzoeksinstrumenten om het inzicht in veranderingen in het milieu te verbeteren en besluitvorming te ondersteunen. Integrale stikstofeffectmodellering past hier uitstekend in. Die heeft tot doel om stikstofeffectmodellen verder te ontwikkelen en toe te passen. Dit om de geïntegreerde effecten van N-gebruik op ecosysteemdiensten te kunnen evalueren. Graag wil ik een aantal belangrijke methodologische aspecten aanpakken, te weten: •
•
•
•
Interacties: Hierbij gaat het om verbetering van het inzicht in en de modellering van interacties van stikstof met andere stressfactoren, zoals veranderingen in landgebruik, luchtkwaliteit (waaronder de CO2 en ozonconcentratie) en klimaat op ecosysteemdiensten. Validatie: Een tweede belangrijke taak is validatie van de modellen, door gebruik te maken van regionale veldgegevens en experimentele data. Dit is cruciaal om het vertrouwen in de toekomstvoorspellingen te doen toenemen, en vormt de sleutel tot verbetering van het gebruik van modellen. Onzekerheden/schaling: Een derde aandachtspunt is het verkrijgen van meer inzicht in de betrouwbaarheid van modelvoorspellingen. Daarbij wil ik me richten op de effecten van onzekerheden in procesbeschrijvingen, invoergegevens en de opschaling van resultaten van lokaal tot regionaal en wereldwijd niveau. Interactie met eindgebruikers: Tot slot zal aandacht worden besteed aan de interactie met gebruikers en beleidsmakers op nationaal, Europees
en mondiaal niveau, ten behoeve van het gebruik van de modellen in besluitvorming. Er zijn drie onderzoeksthema’s waarop ik me wil richten. Allereerst een betere kwantificering van stikstofbronnen en -putten, met aandacht voor stikstofverwering, en de gevolgen van management daarop. Ten tweede de gevolgen van stikstofgebruik in de landbouw op de emissies van de broeikasgassen CO2, lachgas en methaan. Verder wil ik speciale aandacht besteden aan de gecombineerde effecten van stikstof, klimaat, CO2 en ozon op koolstofvastlegging, in samenhang met effecten op biodiversiteit, bodemkwaliteit en waterkwaliteit. Onderwijs Contact met studenten is een manier om meer aandacht voor het stikstofprobleem en al zijn ingewikkelde interacties te vragen. In het vernieuwde vak “pollution management” besteed ik aandacht aan de principes en toepassingen van integrale stikstofeffectmodellen. Vervolgens komen er voorbeelden aan de orde van modelketens die het mogelijk maken om de effecten van veranderingen in landgebruik en management, luchtkwaliteit en klimaatverandering op ecosysteemdiensten te beoordelen, met een speciale focus op stikstof. Ik zie er naar uit om de contacten met de studenten te intensiveren en mijn expertise op dit gebied ook in PhD en postgraduate opleidingen in te brengen. Inmiddels ben ik begonnen met het begeleiden van een aantal MSc-studenten en een promovendus op dit gebied. Slotbeschouwing In deze oratie heb ik geprobeerd duidelijk te maken dat het gebruik van stikstof gerelateerd is aan een aantal zeer belangrijke maatschappelijke kwesties. Daarbij gaat het concreet om voedselschaarste, klimaatverandering en lucht- en waterverontreiniging, met effecten op de menselijke gezondheid en verlies aan biodiversiteit. Onlangs is een evaluatie gemaakt van de verliezen en de effecten van stikstof op Europese schaal. Een soortgelijke evaluatie op mondiale schaal wordt voorbereid. De behoefte aan een dergelijke evaluatie is duidelijk, maar de aandacht voor oplossingen door geïntegreerd stikstofbeheer is nog beperkt. Ik wil pleiten voor het opzetten van een internationaal stikstof-innovatietraject, gericht op innovatieve maatregelen om de voedselproductie te verbeteren, gelijktijdig met het verbeteren van de bodemvruchtbaarheid, bescherming van de kwaliteit van lucht en water en bestrijding van de klimaatverandering. Tot slot: ik denk dat een grotere rol van de Wageningen Universiteit in het oplossen van het stikstofprobleem wenselijk is. In Wageningen hebben we niet alleen kennis van bijna alle aspecten van stikstofstromen en de effecten ervan op lucht, bodem, water en vegetatie, van dierlijke en plantaardige voeding en voedingsstoffenbeheer. We beschikken ook over een brede kennis op het gebied van milieutechnologie, landbouweconomie en milieueconomie. Ik wil daarom
pleiten voor een WIN, een Wageningen Initiatief voor N (stikstof), dat bijdraagt aan de win-winsituatie van een gelijktijdige strijd tegen honger en milieueffecten.
