SUSTAINABLE MANAGEMENT OF HEAVY METALS IN AGRO-ECOSYSTEMS CENTRALE LAND BOUWCATALOGUS 0000 0751 9479 Promotor: dr. ir. F.A.M, de Haan hoogleraar bodemhygiëne en bodemverontreiniging Landbouwuniversiteit Wageningen ' J . - SUSTAINABLE MANAGEMENT OF HEAVY METALS IN AGRO-ECOSYSTEMS S.W. Moolenaar Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor op gezag van de rector magnificus van de Landbouwuniversiteit Wageningen, dr. C.M. Karssen, in het openbaar te verdedigen op maandag 11 mei 1998 des namiddags te half twee in de Aula Ov\ a°>Ç M \ Tl Acknowledgement The research presented in this thesis has been carried out at the Departement of Environmental Sciences, sub-department of Soil Science and Plant Nutrition of Wageningen Agricultural University. This research was funded by a grant from the Dutch Organization for Scientific Research (NWO), Research Program for Sustainability and Environmental Quality: METALS. N^O ISBN 90-5485-835-4 BIBLIOTHEEK LANDBOUWUNIVERSITEIT WAGENINGEN Stellingen 1. Men zou minder stelling moeten nemen en meer echt in gesprek moeten gaan. 2. Het tegelijkertijd "in balans brengen" van de zware metalen cadmium, koper, lood en zink in de Nederlandse landbouw is een vrijwel onmogelijke opgave. [naar: G.L. Velthof, P.J. van Erp, S.W. Moolenaar. 1996. Optimizing fertilizer plans of arable farming systems. II. Effects of fertilizer choice on inputs of heavy metals. Meststoffen 1996: 74-80; Dit proefschrift] 3. Indien men inzicht wil krijgen in de ophoping van zware metalen in cultuur grond, nopen de grote verschillen tussen en binnen landbouwsystemen tot een specifieke analyse op bedrijfsschaal. [Dit proefschrift] 4. "Gemengde bedrijfsvoering" op regionale schaal biedt goede perspectieven voor verbetering van de kwaliteit van het landelijk gebied. 5. In geval van bepaalde toedieningen aan de bodem, zoals GFT-compost, is het nodig de veranderingen in bodemsamenstelling mede in beschouwing te nemen om de resulterende zware-metalenaccumulatie op veldschaal meer realistisch te kunnen berekenen. [Dit proefschrift] 6. Het toekennen van het predikaat "ecologisch" aan wijn op basis van het niet gebruiken van organische pesticiden in wijngaarden, is net zo zot als toekenning van dit predikaat zou zijn aan vlees afkomstig van de intensieve varkenshouderij waar men de ammoniak-uitstoot minimaliseert. 7. Dynamische zware-metalenbalansen vormen een geschikte basis om duurzaam- heidsindicatoren af te leiden die aangeven welk metaal op welk moment en in welk milieu-compartiment tot problemen kan leiden. [Dit proefschrift] 8. Bodembescherming is meer gebaat bij normen die betrekking hebben op de belasting van de bodem met verontreinigende stoffen dan bij bodemkwaliteits eisen die aangeven in welke toestand de bodem dient te verkeren. [Th.M. Lexmond, S.E.A.T.M. van der Zee, MG. Keizer, F.A.M, de Haan. 1997. Wet bodembescherming: De kwaliteit van een beleidsinstrument. BODEM 1: 26-29] 9. Analyse van milieu-effecten op basis van zware-metalenbalansen is gebaat bij incorporatie van de speciatie en competitie van zware metalen in de bodem. [Dit proefschrift] 10. De ontwikkeling van "duurzame landbouw" moet niet plaatsvinden op basis van een blauwdruk, maar is wel gebaat bij het ontwerp van een proefdruk. 11. "In het kader van actief bodembeheer kan juist aandacht gegeven worden aan het dynamische karakter van "duurzame ontwikkeling" door (veranderend) bodemgebruik en bodemkwaliteit zodanig op elkaar af te stemmen dat de gebruikswaarde van de bodem op termijn gehandhaafd blijft of toeneemt. "Multifunctionaliteit" is dan richtinggevend voor een proces waarin zorg voor en verbetering van de kwaliteit van de bodem een centrale plaats krijgen." [Technische commissie bodembescherming (TCB). 1996. Tenslotte: verzamelde slotbeschouwingen. Negentienhonderdvijfennegentig] 12. In het onderzoeksgebied van Industrieel Metabolisme en Industriële Ecologie moet men voor ogen houden dat de natuur a-moreel is en dus ook niet als "wet gever" dan wel "leermeester" op kan treden ten aanzien van de inrichting van de maatschappij en de toelaatbaarheid van menselijke behoeften. Wel is het zinnig om de principes uit de ecologie (hoe werkt het?) te betrekken op de vragen uit de ethiek (wat is goed?) teneinde een gezonde grondslag voor duurzame ontwikkeling te leggen. [naar: M. Korthals. 1994. Duurzaamheid en democratie. Inaugurele rede, Landbouw universiteit; C.B. De Witt. 1992. Ethics, Ecosystems and Enterprise. Discovering the meaning of food security and development. In: K. Smith & T. Yamamori (Eds.). Growing our future: Food security and the Environment. Kumarian Press Inc., West Hartford; C.B. DeWitt. 1995. Ecology and ethics: relation of religious belief to ecological practice in the Biblical tradition. Biodiversity and Conservation 4: 838-848] 13. De interdisciplinaire meerwaarde van een onderzoeksprogramma mag niet verwacht worden van het inzetten van AIO's dan wel OIO's. 14. Wetenschap zonder godsdienst is lam; godsdienst zonder wetenschap is blind. [Einstein] 15. De waarheidsaanspraken van de evolutieleer zijn natuurwetenschappelijk niet te bewijzen. Het debat over schepping versus evolutie wint dan ook aan duidelijk heid als men ronduit zou erkennen dat men zich baseert op geloofs-vooronder- stellingen. 16. Lichte slapers hebben een zwaar leven. 17. Close-harmony zingen is helend voor de ziel. [n.a.v. het tijdperk van 'the Singing Soul Brothers'] 18. De relatie mens-akker is fundamenteel, maar de relatie mens-God is beslissend, [n.a.v. De Bijbel: Genesis] Stellingen behorend bij het proefschrift 'Sustainable Management of Heavy Metals in Agro-ecosysterns', Simon W. Moolenaar, Wageningen, 11 mei 1998. Abstract Moolenaar, S.W., 1998. Sustainable management of heavy metals in agro- ecosystems. Doctoral Thesis, Wageningen Agricultural University, Wageningen, The Netherlands. 191 pages. Sustainable management of heavy metals in agro-ecosystems necessitates an analysis of heavy-metal fluxes, resulting accumulation in soil and associated risks. In order to determine the options for a sustainable heavy-metal management in agriculture, balance sheets are used as a means to quantify input and output flows in agro-ecosystems and to calculate resulting heavy-metal accumulation in soil. In this thesis, heavy-metal management of agro-ecosystems is studied within the context of 'substance flow analysis'. Heavy-metal balance studies on different spatial scales are presented. The (im)possibilities to aggregate results on the field scale to higher levels of analysis are explored and different approaches to assessing heavy-metal balances (i.e., top-down and bottom-up) are compared. The 'dynamic soil composition balance' approach is introduced. This new approach takes into account the composition of both soil amendments and soil when calculating heavy-metal accumulation in soil. Cadmium, copper, lead, and zinc flows of arable, dairy and mixed farming systems are studied and the most viable options for a sustainable heavy-metal management are discussed. Measurements at an experimental farm in the Cremona district (Italy) are used to make projections of the long-term development of heavy-metal contents in soil, crop removal and leaching at different application rates of sewage sludge and Bordeaux mixture. Effects of different land use change scenarios on copper speciation and consequent copper mobility are studied by incorporating a well defined speciation model into a dynamic copper balance. 'Sustainability indicators' are introduced that can be used to assess the effects of current agricultural practices and of different management options that aim at preventing quality standards from being exceeded. Literature and measurements with regard to long-term field experiments are interpreted and the options for calculating realistic dynamic heavy-metal balances of soil are discussed in the research context of this thesis. To enhance sustainable management of heavy metals in agro-ecosystems, further development is recommended with respect to scale aspects, environmental management systems, economic and environmental indicators, dynamic modeling, and monitoring. Furthermore, a coherent EU policy and the development of an ethical foundation are needed to advance sustainable agriculture. Keywords: accumulation, agro-ecosystems, arable farming, balance (sheet), cadmium, copper, dairy farming, environmental management system, heavy-metal, indicator, industrial ecology, land use change, lead, mixed farming, (dissolved) organic matter, soil amendment, soil pollution and protection, substance flow analysis, sustainability, vineyard, zinc. Aan Anneke VOORWOORD In dit voorwoord wil ik graag mijn dankbaarheid verwoorden ten aanzien van degenen die bijgedragen hebben aan het totstandkomen van dit proefschrift. Frans de Haan, mijn promotor, wil ik bedanken voor het vertrouwen dat hij in me heeft gesteld en de verantwoordelijkheden die hij me heeft gegeven. Frans, het was boeiend om je van dichterbij te leren kennen en om bij "jouw club" te mogen werken. Theo Lexmond, mijn dagelijks begeleider, heeft zich intensief bezig gehouden met de inhoud van vrijwel ieder hoofdstuk. Theo, jouw scherpe inzicht, encyclopedische kennis, en vermogen tot zowel relativering als uitdaging hebben als een continue onderstroom het werk gedragen. Voor mij blijf jij de ware "zware-metalenman". Sjoerd van der Zee coachte op iets grotere afstand. Sjoerd, met je ogenschijnlijk chaotische, maar in werkelijkheid horizon verbredende brainstorms wist je me regelmatig op te frissen. Ook een aantal andere personen heeft als mede-auteur van diverse artikelen het onderzoek verder gestimuleerd en vorm gegeven. Samen een artikel schrijven brengt verschillende persoonlijkheden en werkstijlen bij elkaar; dat maakt het boeiend. Panos; your work laid the basis for our joint paper presented at the OECD cadmium workshop in Stockholm. Moreover, your research on Nagele experimental farm has been extended and is presented in Chapter 6. Paolo; thank you for your 'energetic' collaboration. Your personal style made our joint effort very enjoyable and fruitful. However, grapes are the only fruits in the whole dissertation. Erwin; ik vind het ontzettend leuk dat we zowel persoonlijk als vakinhoudelijk tot een meerwaarde konden komen en dat we bovendien één hoofdstuk gezamenlijk in ons beider proefschrift op konden nemen. Gerard en Peter; ons werk aan een gezamenlijk artikel heeft bijgedragen aan mijn verdere gedachtenvorming rond en inzicht in de mogelijkheden van zware-metalenmanagement. Ik heb dan ook herhaaldelijk verwezen naar "Velthofeffl/.". Zonder het begeleiden van studenten is het OIO-schap niet compleet. Gelukkig was er ook voldoende belangstelling van studenten om onder mijn hoede een afstudeervak bodemhygiëne uit te voeren. Karin, Brigit, Marcel, Ilse, Anneke, Roy en Jan wil ik graag bedanken voor hun inzet en constructieve bijdragen met betrekking tot de verschillende deel-onderzoeken van dit promotie onderzoek. Jullie zullen je eigen aandeel aan dit werk snel kunnen herkennen. Een aantal personen van het NWO-metalenproject wil ik ook graag voor het voetlicht halen. NWO werd voor mij gepersonificeerd in René Bruel; bedankt voor alle regelarijen. Professor Helias Udo de Haes en Jeroen Guinée wil ik bedanken voor hun inspanningen als initiator en trekker, respectievelijk coördinator van het project. Helias, Gjalt, Esther, Jeroen, Patricia, Jeroen, Evert, Jos en Xander; samenwerken in een multi-disciplinair project vergt veel van alle betrokkenen. De vond het uitdagend om me te verdiepen in andere onderzoekstaal en -cultuur, 't Is leuk dat we op de valreep een gezamenlijk artikel hebben kunnen produceren om zo tot een integratie van het metalenonderzoek te komen. Verder wil ik ook graag de overige leden van de 'plenary meeting', te weten de heren professoren Hordijk, Opschoor, Reijnders en Verbruggen, danken voor feedback op stukken en presentaties die aan de vergadering voorgelegd werden. De leden van de gebruikerscommissie hebben er mede voor gezorgd dat er op zijn minst ook nagedacht werd over de praktische implicaties van ons werk voor beleid en praktijk. Op deze plaats wil ik in het bijzonder de heren Bovenkerk (VROM) en Hotsma (LNV-JXC) bedanken voor het doorgeven van kersverse informatie. Alle collega's van "Bopla" wil ik graag bedanken voor de leuke en boeiende tijd op de vakgroep. Het ondersteunend personeel van lab en kas wordt al genoemd in de 'acknowledgements' van verschillende hoofdstukken. Graag wil ik ook Kees, Herma en Minke bedanken voor het draaiend houden van de noodzakelijke papierwinkels. Mijn ouders hebben ervoor gezorgd dat ik zonder (materiële) zorgen kon studeren en promoveren. Gelukkig betekenen ouders ook nog veel meer dan dat; pa en ma bedankt! ... "en een drievoudig snoer wordt niet spoedig verbroken" (Prediker 4: 12). Ik wist mij voortdurend gedragen door twee kostbare relaties: Mijn Schepper heeft me geleid en geïnspireerd, óók ten aanzien van het promotie-onderzoek.