Waar gaan pesticiden en hun afbraakproducten naartoe als ze eenmaal in de bodem zijn terechtgekomen? En hoe lang doen ze erover om bij grondwater of drainagesystemen te komen? Dat hangt van een aantal factoren af, maar onderzoekers van de Universiteit van Aarhus zijn een stap dichter bij het vinden van snelle antwoorden gekomen. Voor de eerste keer ooit, ze hebben zichtbare/nabij-infraroodspectroscopie gebruikt om het transport van opgeloste chemicaliën door intacte grond te voorspellen.

Het vermogen van de bodem om opgeloste chemicaliën te transporteren hangt af van de textuur en structuur van de bodem. Het volgen van de reistijd van deze opgeloste stoffen wordt meestal in het laboratorium uitgevoerd door doorbraakcurven te meten, waarbij de toepassing van een opgeloste stof op het bodemoppervlak en het uiterlijk ervan in de loop van de tijd aan de onderkant worden geregistreerd. Het verkrijgen van doorbraakcurven uit laboratoriumonderzoek is extreem duur, tijdrovend en arbeidsintensief, daarom besloot het team van wetenschappers van de Universiteit van Aarhus en de Universiteit van Aalborg om out of the box te denken en voor de eerste keer ooit zichtbare/nabij-infrarood (vis-NIR) spectroscopie te gebruiken om doorbraakcurven te voorspellen.

Technologie op een nieuwe manier toepassen

Vis-NIR-spectroscopie staat bekend om zijn meetsnelheid en lage data-acquisitiekosten. Het kan worden gebruikt voor kwantitatieve schattingen van basiseigenschappen van de bodem, zoals klei en organisch materiaal.

Het team van wetenschappers gebruikte vis-NIR-spectroscopie om de doorbraakcurven van de opgeloste stoffen te voorspellen op een grote verscheidenheid aan intacte bodemkolommen uit zes representatieve velden in Denemarken. Gemiddeld over het individuele veld, de nieuwe technologie schatte de doorbraakcurven met een hoge mate van nauwkeurigheid.

"We ontdekten dat we het massatransport van opgeloste chemicaliën vrij nauwkeurig konden meten met vis-NIR-spectroscopie. Onze bevindingen kunnen de weg vrijmaken voor metingen van de volgende generatie en monitoring van opgelost chemisch transport door spectroscopie, zegt prof.dr. Lis Wollesen de Jonge, een van de wetenschappers in het team en co-auteur van hun artikel in Wetenschappelijke rapporten .

Het is belangrijk om chemische uitspoeling door de bodem te begrijpen

Door de intensivering van de landbouwproductie om aan de groeiende vraag naar landbouwgrondstoffen te voldoen, neemt het gebruik van chemicaliën toe. Het uitgebreide gebruik van landbouwchemicaliën veroorzaakt vervuiling van de watervoorraden. Dit, beurtelings, vormt een ernstige bedreiging voor aquatische ecosystemen, menselijke gezondheid, en het milieu. Het voorkomen van landbouwchemicaliën en hun afbraakproducten boven de toegestane limieten in drinkwaterbronnen heeft ertoe geleid dat talrijke bronnen moesten worden gesloten en dat er strikte voorschriften werden ingevoerd voor het gebruik van landbouwchemicaliën in de EU.

Het begrijpen van de uitloging van opgeloste stoffen naar het grondwater en het kunnen meten en modelleren van hun transporttijden zijn daarom belangrijk voor onze gezondheid en het milieu. De bodem speelt daarbij een belangrijke rol vanwege de vele functies. De bodem is van fundamenteel belang voor de landbouwproductie, vanwege zijn vermogen om voedingsstoffen en verontreinigende stoffen te filteren, en voor het opslaan en recyclen van organisch materiaal.

De bodem is ook de belangrijkste transportroute van agrochemicaliën naar het grondwater. Het vermogen van de bodem om opgeloste landbouwchemicaliën te filteren is afhankelijk van de eigenschappen van de bodem en de interactie tussen de opgeloste stoffen en de bodemeigenschappen, en wordt beïnvloed door de manier waarop de bodem wordt gebruikt en beheerd.

Bodemstructuur is een zeer dynamische eigenschap omdat deze wordt beïnvloed door basiseigenschappen van de bodem, zoals textuur, organisch materiaal, carbonaten en metaaloxiden, klimaat, en landgebruik en beheerpraktijken. Afhankelijk van de bodemstructuur, dicht bij verzadiging, water en opgeloste chemicaliën kunnen ofwel gelijkmatig door de bodem worden getransporteerd, of snel via specifieke paden in de bodem met verschillende gradaties van massa-uitwisseling tussen de bodemmatrix en de transporterende paden.

Toekomstige wegen voor verkenning

Er zijn verschillende transportmodellen voor opgeloste stoffen ontwikkeld om rekening te houden met verschillende transportprocessen en om de voorspelling van het transport van opgeloste chemicaliën door de bodem te vergemakkelijken.

"Grote uitdagingen als het gaat om risicobeoordeling zijn het verkrijgen van een nauwkeurige schatting van een reeks parameters die worden gebruikt als input in modellen voor transport van opgeloste stoffen en het verklaren van de ruimtelijke verschillen in die transporteigenschappen, " legt Lis Wollesen de Jonge uit.

Hoewel er een lichte onderschatting is van de binnen-veldvarianties met vis-NIR-spectroscopie, de efficiëntie van deze technologie in termen van kosten en meetsnelheid kan opwegen tegen dure en nauwkeurige metingen met behulp van conventionele methoden voor bodemeigenschappen die meestal een grote ruimtelijke variabiliteit hebben.

Om de technologie aan te scherpen, benaderingen voor het verminderen van de schattingsfout als gevolg van verschillen in bodemstructuur die niet kunnen worden vastgelegd door vis-NIR-spectroscopie, moeten worden onderzocht. Een andere verkenningsroute om de voorspellingsnauwkeurigheden te verbeteren, zou de integratie van vis-NIR-spectroscopie met andere gemakkelijk beschikbare informatie kunnen zijn, zoals informatie over de bodemstructuur op basis van bodemonderzoek of snelle veldproeven.