Lees ook
Het stikstofdossier is machtig interessant als je houdt van wetenschap op het kruispunt van verschillende disciplines. Helaas lijken maar weinig wetenschappers bereid hun kennis vanuit verschillende perspectieven samen te brengen. Dat is jammer, want stikstof is een breed, complex en multidisciplinair onderwerp dat natuurkundige, chemische en biologische kanten heeft en qua onderzoek sterke wiskundige en statistische vaardigheden vergt.

Afgelopen december verscheen De schoonheidsfouten van het stikstofdossier op een rij. Met als doel een open discussie op gang te krijgen over wat we weten en wat nog niet, beweerde ik daarin dat op tenminste zes deelonderwerpen nog de nodige wetenschappelijke onzekerheid heerst. Dit vervolgartikel loopt die zes onderwerpen opnieuw na om op een rij te zetten wat discussies binnen en buiten Foodlog inmiddels hebben bijgedragen aan mijn voortschrijdend inzicht. Ik sta vooral stil bij ammoniakemissies en dus de effecten van de melkveehouderij op depositie in Nederland.

Emissiebronnen

In alle gesprekken en discussies is mij opgevallen dat er nog steeds wetenschappelijke twisten zijn over de juiste kengetallen voor de emissies van landbouwdieren in hun stallen. De formele inventarisatie van de bestaande kennis is te vinden in het NEMA-rapport van de WUR. Recent onderzoek laat echter afwijkingen zien. De emissie van koeien – een grote en daarom belangrijke emissiebron – lijkt onder de tien kilogram ammoniak per jaar per koe (GVE) te blijven steken. Op basis van de officiële 'kennis' rekenen we met twaalf kilogram ammoniak per jaar (1440 kg als er 120 koeien op stal staan).

De formele inventarisatie van de bestaande kennis is te vinden in het NEMA-rapport van de WUR. Recent onderzoek laat echter afwijkingen zien die geen kleinbier zijn
Welk gedeelte daarvan in de directe omgeving wordt gedeponeerd is nog niet goed onderzocht. Dat was reden voor RIVM lijkt ammoniakdepositie op erf boer flink te onderschatten van afgelopen maand. Het RIVM rapporteert op haar website 4%, maar een recent uitgevoerde OPS-berekening gaat uit van bijna het dubbele en komt tot 7%. Daarnaast worden vanuit de praktijk getallen van 15 à 20 kilogram per hectare genoemd. In dat geval zal er al snel achthonderd kilogram ammoniak worden opgenomen rondom de boerderij met eigen grond, en misschien meer als we de Gaussian Plume ook meetellen in de totale depositie berekening. Dit alles is geen klein bier als we ons realiseren dat er nog dik 14.000 melkveehouders actief zijn in Nederland. De specifieke details van alle emissiebronnen in Nederland zijn vooralsnog ook niet openbaar. Een check zit nog achter slot en grendel.

Verspreiding
Onder de motor kap van Aerius, de calculator van het RIVM, zit OPS. OPS is een internationaal erkend model om de verspreiding van stoffen zoals ammoniak of NOx over het oppervlak van het land te voorspellen. Ik denk dat het RIVM zijn zaken voor wat betreft de gekozen variabelen goed op orde heeft. Wel blijft opvallen dat de voorspellingen rondom de ammoniak op korte afstand minder goed met de praktijk overeenkomen en tot mogelijk een factor vijf - of zelfs meer - kunnen afwijken. Dat is storend.
Voorts vind ik dat nog getoetst moet worden hoe goed OPS omgaat met de verspreiding van aerosolen, die mogelijk een belangrijk verspreidingsmechanisme zijn voor ammoniak. Dat geldt ook voor de rol van fijnstof (PM2.5) op de verspreiding van ammoniak. Fijnstof kan immers als nucleus dienen voor de vorming van aerosolen van water(damp) met daarin opgelost ammoniak. Mijn eerste indruk is dat deze processen niet verwerkt zijn in OPS.
Tot slot: import en export van stikstof vanuit en naar het buitenland en de afbraak van ammoniak is te weinig feitelijk onderzocht en behoeft dus onderzoek.


Afbraak in hogere luchtlagen

Keer op keer vertellen experts mij dat afbraak van ammoniak in hogere luchtlagen ‘niet relevant is’. Dat zou kunnen. Ik moet bekennen dat ik er nog te weinig over heb gelezen om een goed standpunt in te kunnen nemen. Stikstof wordt óf op zeer grote afstanden verspreid zowel horizontaal, maar dan ook verticaal de hoogte in, óf er is geen sprake van grote verspreidingen in alle richtingen en verspreiding is vooral een zeer lokaal fenomeen.
De totale hoeveelheid natte depositie wordt afdoende gemeten vanuit het regenwaternetwerk. Dit is een van de weinige onderdelen van het dossier met praktische houvast
Mocht ammoniak ook in hogere luchtlagen terecht komen dan kan ik me niet voorstellen dat afbraak onder invloed van ozon en UV geen enkele rol speelt.


Regen en natte depositie
De totale hoeveelheid natte depositie wordt afdoende gemeten vanuit het regenwaternetwerk. Dit is een van de weinige onderdelen van het dossier met praktische houvast. Zowel de hoeveelheid regenwater als de concentratie ammoniak in het regenwatermonster worden feitelijk gemeten. 
Het zal niemand verbazen dat de totale natte depositie jaarlijks erg afhankelijk is van de totale regenval in dat jaar. De data laten duidelijk zien dat de ammoniak en NOx concentraties in de lucht sterk gedaald zijn sinds eind jaren tachtig, maar ook wat stabiliseren. Jaarlijks komt ongeveer 100 mol NOx en ongeveer 300 mol ammoniak op de grond terecht. 
Er zijn wel regionale verschillen te constateren. Die lijken het gevolg van neerslagvariaties en lokale verschillen van de ammoniakconcentratie in de lucht. Wel een helaas: het meetnetwerk is kleiner dan ooit, waarschijnlijk door bezuinigingen op praktijkonderzoek. Van belang is dat we kunnen vaststellen welke fractie ammoniak weer in de lucht komt als het water verdampt.
Helaas: het meetnetwerk is kleiner dan ooit, waarschijnlijk door bezuinigingen op praktijkonderzoek
Deze fractie is immers niet meer beschikbaar is voor planten of de bodem. Ook zou ik willen weten welke van deze processen netjes verwerkt zijn (of niet) in de modellen van het RIVM.


Droge depositie
Geformuleerd met een understatement over de vaststaande kennis: droge depositie is een vakgebied in beweging. De hoeveelheid wetenschappelijke artikelen over het onderwerp groeit weer. Het is echter ook een vakgebied waarin vooral op grote schaal computersimulaties worden ingezet en (veel te) weinig echt praktijkonderzoek – behalve fluxmetingen – wordt gedaan.

Een gebrek aan onderzoeksbudget is het euvel, hoor ik van diverse onderzoekers. De consequentie is pijnlijk. De computersimulaties zijn leuk, maar weinig zinvol als ze niet vergeleken kunnen worden met praktijkmetingen. Ik zeg 'pijnlijk' omdat er niettemin grote beleidsbeslissingen op worden genomen en de wetgever zich daar niet bewust van lijkt of duidelijk genoeg voor is gewaarschuwd.

De resultaten uit flux-metingen alleen zijn onvoldoende praktische basis. Aanvullend praktijkonderzoek naar de effecten op planten(groei) en bodem is onmisbaar. Droge depositie is niet afhankelijk van de emissie of de emissiebron, maar het resultaat van de fysische, chemische en biologische processen die in een kolom boven een hectare plaatsvinden. Het gaat bij droge depositie om de interactie tussen de lucht, de planten en de bodem en vooral ook die processen in de bodem zelf. Onderzoek naar dergelijke processen moet vergeleken worden met de flux-metingen en vice versa.

Geformuleerd met een understatement over de vaststaande kennis: droge depositie is een vakgebied in beweging
De DEPAC-module die in OPS zit berekent wat de relatie is tussen de ammoniakconcentratie in de lucht, bepaalt de depositiesnelheid en berekent dan de droge ammoniakdepositie. 

DEPAC is een grote en complexe module die op basis van onder meer de gemiddelde temperatuur, de windsnelheid, het bladoppervlak, het compensatiepunt tot waarop planten stikstof opnemen, de landklasse, de ruwheidsfactor, vochtgehalte van het oppervlak en nog veel meer factoren die relatie berekent per dag van het jaar. Via de DEPAC-module word de “total canopy or surface resistance (s/m)” en de “total compensation point (weighed average of separate compensation points) (ug/m3)” bepaald. De module gaat dus uit van een lineaire relatie tussen de ammoniakconcentratie in de lucht en de berekende droge depositie per hectare. Op dit moment concentreer ik me in mijn checks van de relatie tussen de theorie en berekeningen enerzijds en praktijkonderzoek en vermoedelijke werkelijkheid specifiek op DEPAC.

Bodemeffecten en bodemchemie
Bodem is ook al zo’n complex onderwerp waar we nog heel veel niet zo goed lijken te weten. Inmiddels durf ik te vermoeden dat de relatie tussen de bodem en de lucht te eenvoudig is verwerkt in OPS. OPS gaat uit van een emissie of depositie vanuit het oppervlak en gebruikt daarbij vooral de depositiesnelheid die wordt berekend met DEPAC. Ik denk dat er veel meer praktijkonderzoek naar de werking van droge bemesting nodig is en vooral dat er ook meer fundamenteel onderzoek naar het compensatiepunt nodig is voor beter begrip van de relaties tussen alle factoren. De dynamische modellering van bodemprocessen inclusief validatie met praktijkobservaties is een zinvol onderzoeksgebied dat onderzoeksgeld verdient.

Is dan alles twijfelachtig in dit dossier?
Het is niet mijn bedoeling om alle kennis in het stikstofdossier in twijfel te trekken. Maar wetenschap is per definitie twijfel. Je mag niet te snel denken dat we alles nu wel weten. Zo gauw het gesprek gaat over consensus – een heerlijk politiek woord, maar geen goed woord als het gaat om kennisvraagstukken – moet je opletten, leerde ik als jonge student. Het biologische systeem is complex. De diversiteit van interacties is gigantisch groot. In de biologie is bovendien vaak sprake van zogenaamde dynamische evenwichten.

Een bepaalde concentratie in de bodem kan ogenschijnlijk constant zijn in de tijd, maar dan nog kan er veel gebeuren doordat er bijvoorbeeld een continue influx is in combinatie met uitspoeling naar grondwater. Ook de dynamiek van nitrificatie en denitrificatie heeft een effect op de interactie tussen de bodem en lucht. Deze chemische en biologische processen zijn dynamisch en afhankelijk van veel factoren waar nog maar weinig fundamenteel onderzoek naar is gedaan. DEPAC abstraheert dan ook van deze effecten, die in de werkelijkheid een significante rol kunnen spelen.

De metingen die via het meetnetwerk ammoniak worden uitgevoerd aangevuld met informatie vanuit satellieten (ook al zijn het slechts kolommetingen) geven houvast. Al tientallen jaren wordt op verschillende punten de ammoniakconcentratie bepaald en sinds de opkomst van goedkopere sensoren zijn er lokale initiatieven, waaronder een nieuw meetwerk in de Gelderse Vallei.

Uiteindelijk zijn er geo-modellen nodig om de verspreiding van ammoniak over heel Nederland te kunnen voorspellen. De uitkomsten van deze OPS modellen zijn volledig openbaar en worden door het RIVM jaarlijks gepubliceerd via de grootschalige concentratie (GCN) en depositie kaarten (GDN). Deze GCN/GDN-kaarten zijn gebaseerd op een combinatie van puntmetingen en modelberekeningen. Ze geven een beeld van de luchtkwaliteit en depositie boven heel Nederland. De nieuwe concentratiekaarten worden ieder jaar beschikbaar gesteld op 15 maart. De depositiekaarten en de ammoniakconcentratiekaart volgen in juni.

Ik maakte drie analyses op basis van deze kaarten.

De GCN en GDN-kaarten van het RIVM
Voor mijn analyses heb ik gebruik gemaakt van de meest recente voorspellingen van de ammoniakconcentratie en ammoniakdepositie In Nederland voor het jaar 2025 (gebaseerd op emissiedata van 2023) van het RIVM. Deze gegevens zijn niet per hectare (de ‘hexagonen’ in ambtelijke taal) maar wel per vierkante kilometer beschikbaar.

Vermoedelijk is het onmogelijk om een verfijndere en preciezere voorspelling te doen van de concentratie en depositie. De depositievoorspellingen zijn zo goed als zeker uitgevoerd door de berekende concentratie te combineren met de DEPAC-module voor de droge depositie. Daarna wordt de natte depositie forecast erbij opgeteld en zo komt het RIVM tot de GDN-kaart die de totale berekende ammoniakdepositie in Nederland laat zien. Die wordt uitgedrukt in mol per hectare per jaar en is eenvoudig om te rekenen naar kilogram per hectare per jaar. De concentratie in de GCN-kaart wordt uitgedrukt in microgram per kubieke meter lucht (ug/m3). De gemiddelde ammoniakconcentratie boven Nederland is volgens deze kaarten 6,7 ug/m3 en de meest voorkomende (mediane) waarde is 5,8 ug/m3. Tenslotte piekt de ammoniakconcentratie in de Gelderse vallei op enkele plekken tot een waarde van 40 ug/m3.

Figuur 1 – de lokale ammoniakconcentratie volgens RIVM maar uitgedrukt op een logaritmische schaal. Grid-grootte is 1km x 1 km


Ik heb er een heatmap van gemaakt (Figuur 1).
Meteen vallen de grote verschillen tussen concentraties boven Nederland op
De eerste vraag die opkomt is welke schaalverdeling de depositiepieken correct in rood toont. De kaartjes van TNO kappen hun ‘rode kleur’ af op 6 ug/m3; dat leidt tot veel rood. Zelf kijk ik graag naar heatmaps op een logaritmische schaal om verschillen goed te kunnen waarnemen zeker als deze verschillen groot zijn (Figuur 1). Voor wie dat een extreme manier van analyseren vindt, heb ik ook twee doorsneden (van het noorden naar het zuiden en van het oosten naar het westen) van Nederland gemaakt op de gebruikelijke lineaire schaal (Figuur 2). Meteen vallen de grote verschillen tussen concentraties boven Nederland op. Ook de gradiënten blijken aanzienlijk. Mijn conclusie is daarom vooralsnog dat ammoniak een extreem lokaal fenomeen is: de concentraties kunnen lokaal hoog zijn en enkele kilometers verderop alweer veel lager.

Figuur 2 – ammoniakconcentratie op een lineaire schaal van noord naar zuid (linkerplaatje) en van oost naar west (rechterplaatje). De X en Y doorsnedes zijn zo gekozen dat deze door de Gelderse Vallei lopen


Als deze eenvoudige conclusie niet correct zou zijn, dan zou de ammoniakdeken over Nederland immers veel vlakker moeten zijn met veel minder pieken en dalen. Als deze conclusie klopt (en ik zie op basis van de data en modellen waarmee het RIVM rekent te denken waarom die niet zou kloppen), dan kunnen we niet bllijven praten over de effecten op tientallen of zelfs honderden kilometers afstand? Toch gebeurt dat in de wet- en regelgeving rond de rekentools van het RIVM juist wél.

Reversed engineering van de depositiesnelheden in OPS
Aerius biedt niet de mogelijkheid om de exacte droge depositie of de exacte natte depositie per hexagoon uit te vragen. Dat kan alleen met een eigen model. Daarom heb ik een lokale OPS-versie gemaakt die ik zelf kan draaien. Om ermee te kunnen rekenen zoals het RIVM, heb ik gebruik gemaakt van de Fortran90 broncodes die het RIVM hiervoor op github gezet. Om echt lokaal analyses te kunnen maken, heb ik ook een gedetailleerde versie van het totale emissiebestand nodig met alle ‘uitstoters’ van Nederland per lokatie. Ik hoop hulp te krijgen van de specialisten bij het RIVM om lokale analyses te kunnen maken.

Onderwijl heb ik een experiment gedaan. Theoretisch hangt de depositie lineair af van de concentratie (mogelijk bestaat dat verband niet of minder direct, maar dat is niet waar de modellen die thans gebruikt worden van uitgaan). Daarom heb ik de GDN-kaart voor depositie wiskundig verwerkt volgens de volgende methode: a) eerst heb ik de natte depositie (+/- 300 mol) afgetrokken van de totale depositie, en b) vervolgens de overgebleven depositie gedeeld door de GCN-concentratie kaart. Dat leidt tot een eerste indruk van de depositiesnelheden die gebruikt zijn binnen OPS/DEPAC om de GDN-kaart te maken. Uiteraard heb ik de correcte conversiefactoren gehanteerd zodat de depositiesnelheid in Figuur 3 wordt uitgedrukt in centimeter per seconde en daarmee vergeleken kan worden met de depositiesnelheid zoals die in de wetenschappelijke literatuur gerapporteerd wordt.

Figuur 3 – de depositiesnelheid ‘reversed engineering’ uitgedrukt in cm/sec. De depositie kaart voor ammoniak is gedeeld door de concentratie kaart ammoniak nadat 300 mol voor de natte depositie is afgetrokken van de voorspelde totale depositie


Dat leidt tot een analyse waarin opvalt dat er een hoge depositiesnelheid is gebruikt bij de grootstedelijke gebieden en in de bosrijke omgevingen waaronder grote stukken van de Veluwe en Utrechtse heuvelrug. Bij de waterrijke gebieden waaronder Markermeer en IJsselmeer is de depositiesnelheid laag en komt deze waarde overeen met wat je in de wetenschappelijke literatuur aan waarden tegenkomt (ongeveer 0,6 cm/sec). Op basis van Figuur 3 lijkt mij dat de depositiesnelheden in de landbouwgebieden relatief laag - misschien te laag - worden ingeschat door DEPAC. Op basis van de wetenschappelijke literatuur valt namelijk te voorzichtig te concluderen dat de depositiesnelheid voor landbouwgebieden tussen de 1 en 1,5 centimeter per seconde is; mogelijk ligt de snelheid periodiek en/of lokaal nog wat hoger.

Wat ik hier laat zien is work-in-progress om de geïnteresseerde lezer mee te nemen in deze reality check en op de hoogte te houden van mijn spit- en graafwerk. Onderwijl hoop ik te kunnen leren van nuttig commentaar zodat er een gezamenlijk en gedragen resultaat tot stand komt.
Komende maand neem ik het fenomeen droge depositie verder onder de loep. Daarbij zal ik ook DEPAC onder het wetenschappelijke vergrootglas leggen. Hopelijk lukt dat aan de hand van praktijkmetingen zodat voorspellingen van het gehanteerde depositiemodel (DEPAC) kunnen worden gecontroleerd. Zoals gezegd, heb ik het RIVM om hulp gevraagd en hoop ik binnen afzienbare tijd definitievere resultaten te kunnen laten zien.
Dit artikel afdrukken