7Bodem, een hulpbron die langzaam ontstaat

Een weg die door een heuvel in de vochtige tropen is uitgegraven, toont een wand van rode aarde, verscheidene keren zo hoog als een mens. Onderaan is het gesteente nog herkenbaar: bleek, gestreept, maar zo zacht dat het tussen je vingers verkruimelt, terwijl het nog de korrels en banden laat zien van het gesteente dat het ooit was. Naar boven toe gaat het over in een gevlekte klei, dan in een harde rode laag, dan in een dunne bodem waarin de wortels zitten. De hele wand was ooit massief gesteente: het is het gesteente zelf, dat ter plaatse langzaam door water en lucht is omgevormd. De bodem, waarop alle planten van het land en het voedsel van bijna alle mensen groeien, is de top van zo’n kolom. Dit hoofdstuk legt uit hoe gesteente bodem wordt, welke scheikunde het werk doet, hoe het klimaat het tempo bepaalt, en waarom bodem, die zo langzaam ontstaat, zo snel verloren kan gaan.

Wat je al weet

Verwering breekt gesteenten af waar ze liggen; erosie voert de stukken weg; afzetting legt ze elders neer (Boek 1, jaar 5). Gesteenten bestaan uit mineralen, zoals kwarts, veldspaten en mica’s in een graniet (Boek 1, jaar 6). Een bodem is een levende laag van minerale korrels, humus, water, lucht en organismen; afbrekers zetten dood materiaal om in humus; een bodem wordt beschreven door zijn lagen, of horizonten (de biologieboeken). Bij een oxidatie verliest een stof elektronen, vaak door zich met zuurstof te verbinden (de scheikundeboeken).

7.1 Van gesteente tot bodem

Fysische verwering — vorstwerking, opwarming en afkoeling, wortels — breekt gesteente in stukken zonder zijn mineralen te veranderen. Chemische verwering verandert de mineralen zelf. Samen veranderen ze over lange tijd de top van het vaste gesteente in een losse mantel die naar beneden dikker wordt, naarmate de verwering zich in het gesteente eronder vreet.

Definitie 7.1 (Moedergesteente; saproliet)

Het moedergesteente van een bodem is het gesteente waaruit zijn minerale deel is ontstaan. Saproliet is gesteente dat ter plaatse door verwering is ontbonden: zacht en aardachtig, toont het nog de korrels en de structuur van het moedergesteente. Een verweringsprofiel is de hele kolom van het verse gesteente, via de saproliet, tot de bodem bovenaan.

Saproliet kan dik zijn. Onder de glooiende heuvels langs de oostkant van de Appalachen, in het oosten van de Verenigde Staten, bereikt hij plaatselijk ongeveer $46\,\mathrm{m}$ (150 voet), al verschilt zijn dikte sterk van plaats tot plaats; de bodem is er alleen het bovenste deel van.

7.2 Chemische verwering

Definitie 7.2 (Chemische verwering)

Chemische verwering is de omvorming van de mineralen van een gesteente door reacties met water en met de gassen die het meevoert, koolstofdioxide en zuurstof: sommige mineralen lossen op, andere worden omgezet in nieuwe mineralen, die stabiel zijn aan het aardoppervlak.

Regenwater neemt een beetje koolstofdioxide uit de lucht op, en veel meer wanneer het door de bodem sijpelt, waar wortels en afbrekers het uitademen. Een deel van het opgeloste gas vormt koolzuur, dat waterstofionen vrijmaakt:

$\ce{CO2 + H2O -> H+ + HCO3-}$

Deze waterstofionen tasten de mineralen aan.

Definitie 7.3 (Hydrolyse)

Hydrolyse is de chemische verwering van een silicaatmineraal door water en zijn waterstofionen: de waterstofionen nemen de plaats in van de metaalionen van het mineraal, die in oplossing gaan, en de rest van het mineraal wordt omgebouwd tot een kleimineraal.

Propositie 7.4 (Hydrolyse van een veldspaat)

De kaliveldspaat orthoklaas, $\ce{KAlSi3O8}$, wordt door hydrolyse omgezet in het kleimineraal kaoliniet, $\ce{Al2Si2O5(OH)4}$; kaliumionen en opgelost silica, $\ce{H4SiO4}$, worden door het water afgevoerd:

$\ce{2 KAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 H4SiO4}$

Propositie 7.5 (Oplossen van calciet)

Calciet, $\ce{CaCO3}$, het mineraal van kalksteen, lost volledig op in water dat koolstofdioxide meevoert; er blijft niets vasts over:

$\ce{CaCO3 + CO2 + H2O -> Ca^2+ + 2 HCO3-}$

IJzer wordt op een derde manier aangetast. In de donkere mineralen van een gesteente, zoals de zwarte mica van een graniet, zit ijzer in de gereduceerde vorm $\ce{Fe^2+}$. Zuurstof die met het water wordt meegevoerd, oxideert het, en het ijzer(III) blijft achter als onoplosbare oxiden: geelbruin goethiet, $\ce{FeO(OH)}$, en rood hematiet, $\ce{Fe2O3}$. Voor goethiet:

$\ce{4 Fe^2+ + O2 + 6 H2O -> 4 FeO(OH) + 8 H+}$

Deze oxiden kleuren verweerde gesteenten en bodems geel, bruin en rood.

Niet alle mineralen verweren in hetzelfde tempo. In een verwerend graniet roest de zwarte mica en worden de veldspaten klei, maar de kwartskorrels, bijna onoplosbaar, komen er onveranderd uit: ze eindigen als zand.

Voorbeeld 7.6 (De verwering van een graniet)

Een kilogram orthoklaas bevat $1000/278.33 \approx 3.59\,\mathrm{mol}$ $\ce{KAlSi3O8}$. Volgens de vergelijking geven twee mol orthoklaas één mol kaoliniet: $3.59/2 \approx 1.80\,\mathrm{mol}$, dat is $1.80 \times 258.16 \approx 464\,\mathrm{g}$ klei. Het kalium, $14.05~\%$ van de massa van het orthoklaas, $140.5\,\mathrm{g}$, en $2 \times 3.59 = 7.19\,\mathrm{mol}$ silica gaan in oplossing weg. Uit een graniet van kwarts, veldspaten en mica’s laat de verwering zand (het kwarts), klei (uit de veldspaten en mica’s) en ijzeroxiden achter, en stuurt ze kalium, natrium, calcium en silica naar de rivieren.

7.3 Klei en humus

Definitie 7.7 (Kleimineraal)

Een kleimineraal is een silicaat dat is opgebouwd uit dunne lagen atomen die op elkaar gestapeld zijn, gevormd door verwering, en dat voorkomt als schilfers die veel kleiner zijn dan zandkorrels. Kaoliniet is er een van.

De oppervlakken van kleischilfers dragen negatieve elektrische ladingen. Ze houden positieve ionen vast — kalium $\ce{K+}$, calcium $\ce{Ca^2+}$, magnesium $\ce{Mg^2+}$, ammonium $\ce{NH4+}$ — die anders door de regen zouden worden weggespoeld. Humus doet hetzelfde. Samen vormen klei en humus het klei-humuscomplex, de voorraad minerale voedingsstoffen van de bodem: een wortel geeft waterstofionen af en neemt in ruil het kalium of calcium op dat op de schilfers is vastgehouden.

7.4 Bodems en klimaat

Chemische verwering heeft water nodig, en zoals de meeste reacties verloopt ze sneller wanneer het warm is. Waar het klimaat zowel heet als nat is, wordt gesteente het diepst en het verst ontbonden: de veldspaten worden volledig klei, zelfs een groot deel van het silica wordt afgevoerd, en wat overblijft is rijk aan de minst oplosbare elementen, ijzer en aluminium.

Definitie 7.8 (Lateriet)

Een lateriet is een diep verweerd materiaal van hete, natte klimaten, rood of bruin, dat vooral bestaat uit ijzer- en aluminiumoxiden en kaoliniet, en waaruit bijna alles wat oplosbaar is, is verwijderd.

Onder koude klimaten, die een groot deel van het jaar bevroren zijn, en onder droge klimaten, waar water schaars is, verloopt chemische verwering langzaam: de bodems zijn dun en het gesteente ligt er vlak onder. Tussen de polen en de evenaar is de verweringsdiepte het grootst onder de vochtige tropische bossen en het kleinst in de woestijnen en de poolgebieden.

7.5 Langzaam gevormd, snel verloren

Hoe snel ontstaat bodem? De bodemproductie, de snelheid waarmee verwering aan de basis van het profiel gesteente in bodem omzet, is op veel plaatsen in de wereld gemeten, en ook de snelheid waarmee bodem aan het oppervlak wordt weggeërodeerd. Een verzameling van deze metingen geeft de typische (mediane) snelheden hieronder, elk uitgedrukt als een dikte bodem per jaar.

Onder natuurlijke begroeiing erodeert bodem ongeveer even snel als hij ontstaat, rond $0.02\,\mathrm{mm}$ per jaar: een centimeter in zo’n zes eeuwen. Bij conventioneel ploegen, dat de grond tussen de teelten kaal laat, is de mediane erosiesnelheid $1.5\,\mathrm{mm}$ per jaar, negentig keer de bodemproductie. Bij conserverende landbouw, die de bodem minder verstoort en bedekt houdt, daalt de mediaan tot $0.08\,\mathrm{mm}$ per jaar, veel dichter bij de snelheid van de productie.

Methode 7.9 (Een vormingssnelheid vergelijken met een erosiesnelheid)

1. Druk beide snelheden uit in dezelfde eenheid (millimeter per jaar).
2. Het nettoverlies is de erosiesnelheid $E$ min de productiesnelheid $P$.
3. Een bodem met dikte $S$ gaat verloren in $T = S/(E - P)$ jaar; als $E \le P$, gaat de bodem niet verloren.
4. Om vanaf nul een dikte $S$ te vormen, zijn $S/P$ jaren nodig.

Met deze snelheden duurt het ongeveer $1000/0.017 \approx 59\,000$ jaar om een meter bodem te vormen, en bij conventioneel ploegen kan die in ongeveer $1000/(1.537 - 0.017) \approx 660$ jaar verloren gaan. Op de tijdschaal van mensen is bodem een hulpbron die zich niet vernieuwt.

7.6 Oefeningen

Oefening 7.1 ★

Definieer chemische verwering en hydrolyse.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.1.

Chemische verwering is de omvorming van de mineralen van een gesteente door reacties met water en de gassen die het meevoert (koolstofdioxide, zuurstof): sommige mineralen lossen op, andere worden nieuwe mineralen die aan het oppervlak stabiel zijn. Hydrolyse is de chemische verwering van een silicaat door water en zijn waterstofionen: de metaalionen gaan in oplossing en de rest van het mineraal wordt omgebouwd tot een kleimineraal.

Oefening 7.2 ★

Wat is saproliet? Hoe onderscheid je saproliet van een bodem die is gevormd in zand dat door een rivier is aangevoerd?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.2.

Saproliet is gesteente dat ter plaatse is ontbonden: zacht en aardachtig, behoudt het de korrels, banden en structuur van zijn moedergesteente en gaat het naar beneden toe, zonder onderbreking, over in het verse gesteente. Een bodem die in rivierzand is gevormd, rust op materiaal dat van elders is aangevoerd: zijn korrels zijn afgerond en gesorteerd, en hij toont niets van de structuur van het gesteente eronder.

Oefening 7.3 ★

Noem de producten van de verwering van een graniet: wat wordt elk van zijn drie belangrijkste mineralen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.3.

De veldspaten worden klei (kaoliniet) en geven daarbij kalium, natrium of calcium en silica af aan het water; de zwarte mica wordt klei en ijzeroxiden; het kwarts blijft onveranderd achter, als zand.

Oefening 7.4 ★

Waarom zijn verweerde gesteenten en tropische bodems zo vaak rood, geel of bruin?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.4.

Het ijzer van de donkere mineralen, $\ce{Fe^2+}$, wordt door de zuurstof die het water meevoert geoxideerd tot onoplosbare ijzer(III)-oxiden: geelbruin goethiet en rood hematiet, die de korrels bedekken en het hele materiaal kleuren.

Oefening 7.5 ★

Geef met behulp van het staafdiagram de mediane bodemproductie en de mediane erosiesnelheid bij conventioneel ploegen. Hoeveel keer groter is de tweede?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.5.

$0.017\,\mathrm{mm}$ per jaar en $1.537\,\mathrm{mm}$ per jaar: $1.537/0.017 \approx 90$ keer groter.

Oefening 7.6 ★★

Ga na dat de vergelijking van het oplossen van calciet klopt, voor elk element en voor de lading.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.6.

Calcium: 1 en 1. Koolstof: $1 + 1 = 2$ en 2. Zuurstof: $3 + 2 + 1 = 6$ en $2 \times 3 = 6$. Waterstof: 2 en 2. Lading: 0, en $+2 - 2 = 0$.

Oefening 7.7 ★★

Kalksteen lost volledig op, graniet laat zand en klei achter. Verklaar het verschil met de twee reacties uit het hoofdstuk.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.7.

Het oplossen van calciet levert alleen opgeloste ionen op, $\ce{Ca^2+}$ en $\ce{HCO3-}$: alles wordt afgevoerd en een zuivere kalksteen laat geen vast residu achter. De hydrolyse van veldspaat levert een vaste stof op, kaoliniet, die achterblijft; en het kwarts van het graniet reageert nauwelijks. Graniet laat daarom klei en zand achter.

Oefening 7.8 ★★

Leg uit hoe het klei-humuscomplex kalium vasthoudt in een bodem waar de regen doorheen spoelt, en hoe een wortel het opneemt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.8.

De kleischilfers en de humus dragen negatieve ladingen die de positieve kaliumionen $\ce{K+}$ op hun oppervlakken vasthouden, zodat het regenwater dat erdoorheen stroomt ze niet meevoert. Een wortel geeft waterstofionen af, die de plaats van het kalium op de schilfers innemen; het kalium dat zo in het bodemwater vrijkomt, wordt door de wortel opgenomen.

Oefening 7.9 ★★

Geef twee redenen waarom laterieten ontstaan onder hete, natte klimaten en niet onder koude of droge.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.9.

Chemische verwering heeft water nodig, dat in natte klimaten overvloedig is en in droge schaars (en in koude bevroren); en haar reacties verlopen sneller wanneer het warm is. Alleen bij warmte en overvloedig water gaan de reacties, over lange tijd, ver genoeg om bijna alles wat oplosbaar is te verwijderen en ijzer- en aluminiumoxiden achter te laten.

Oefening 7.10 ★★

De mediane bodemproductie is $0.017\,\mathrm{mm}$ per jaar. Hoe lang duurt het om $1\,\mathrm{cm}$, $30\,\mathrm{cm}$ en $1\,\mathrm{m}$ bodem te vormen?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.10.

$10/0.017 \approx 590$ jaar voor $1\,\mathrm{cm}$; $300/0.017 \approx 17\,600$ jaar voor $30\,\mathrm{cm}$; $1000/0.017 \approx 59\,000$ jaar voor $1\,\mathrm{m}$.

Oefening 7.11 ★★

Erosiesnelheden worden vaak gegeven als een massa bodem per hectare per jaar. Welke massa stelt een verlies van $1.5\,\mathrm{mm}$ per jaar voor op één hectare ($10\,000\,\mathrm{m}^{2}$), bij een dichtheid van de bodem van $1200\,\mathrm{kg}/\mathrm{m}^{3}$?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.11.

Volume: $10\,000 \times 0.0015 = 15\,\mathrm{m}^{3}$; massa: $15 \times 1200 = 18\,000\,\mathrm{kg}$, $18$ ton per hectare per jaar.

Oefening 7.12 ★★★

Onder de heuvels van een gematigd gebied is saproliet van $46\,\mathrm{m}$ dik ontstaan. Als de verwering met $0.017\,\mathrm{mm}$ per jaar in het gesteente voortschreed, hoe lang zou dat dan hebben geduurd? Wat zegt het antwoord over de ouderdom van zo’n landschap?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.12.

$46\,000/0.017 \approx 2.7$ miljoen jaar. Zo’n dikke saproliet vraagt een landschap dat miljoenen jaren stabiel is gebleven, zonder dat zijn verweerde mantel werd weggeruimd.

Oefening 7.13 ★★★

Schrijf de vergelijking van de oxidatie van $\ce{Fe^2+}$ tot goethiet uit het hoofdstuk op en controleer ze. Schrijf daarna de oxidatie van $\ce{Fe^2+}$ tot hematiet, $\ce{Fe2O3}$, door zuurstof en water, waarbij $\ce{H+}$ vrijkomt, en maak ze kloppend.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.13.

Goethiet: $\ce{4 Fe^2+ + O2 + 6 H2O -> 4 FeO(OH) + 8 H+}$: ijzer 4 en 4, zuurstof $2 + 6 = 8$ en $4 \times 2 = 8$, waterstof 12 en $4 + 8 = 12$, lading $+8$ en $+8$. Hematiet: $\ce{4 Fe^2+ + O2 + 4 H2O -> 2 Fe2O3 + 8 H+}$: ijzer 4 en 4, zuurstof $2 + 4 = 6$ en 6, waterstof 8 en 8, lading $+8$ en $+8$.

Oefening 7.14 ★★★

Bij conserverende landbouw is de mediane erosiesnelheid $0.082\,\mathrm{mm}$ per jaar. Hoe lang duurt het, met een bodemproductie van $0.017\,\mathrm{mm}$ per jaar, om $30\,\mathrm{cm}$ bodem te verliezen? Vergelijk met conventioneel ploegen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.14.

Nettoverlies $0.082 - 0.017 = 0.065\,\mathrm{mm}$ per jaar; $300/0.065 \approx 4600$ jaar. Bij conventioneel ploegen $300/1.52 \approx 200$ jaar: meer dan twintig keer korter.

Oefening 7.15 ★★★

Een graniet bevat $30\,\%$ orthoklaas naar massa. Welke massa kaoliniet ontstaat er wanneer al het orthoklaas van één ton van dit graniet is verweerd, en welke massa kalium komt er vrij?

Oplossing

Oplossing van Oefening 7.15.

De ton bevat $300\,\mathrm{kg}$ orthoklaas. Elke kilogram geeft $464\,\mathrm{g}$ kaoliniet: $300 \times 0.464 \approx 139\,\mathrm{kg}$. Kalium: $300 \times 0.1405 \approx 42\,\mathrm{kg}$.

7.7 Probleem: de levensduur van een bodem

Probleem 7.1

Weekendprobleem — van gesteente tot akker en terug naar de rivier

Deel I — Een profiel.

1. De schaal reikt tot 4 voet bij de onderkant van de foto. Hoe diep is dat, in meter?
2. De donkere laag bovenaan reikt tot ongeveer een halve voet. Hoe dik is ze, in centimeter?
3. Wat geeft deze bovenste laag haar donkere kleur?
4. Daaronder is de bodem roodbruin. Welke mineralen geven hem deze kleur, en hoe zijn ze ontstaan?
5. Is het moedergesteente op de foto zichtbaar? Wat zou je verwachten onder de onderkant van de foto aan te treffen?

Deel II — De scheikunde van een verwerend graniet.

6. Schrijf de vergelijking van de hydrolyse van orthoklaas op.
7. Hoeveel mol orthoklaas zit er in $1\,\mathrm{kg}$ ($278.33\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$)?
8. Welke massa kaoliniet ($258.16\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$) leveren ze?
9. Wat gaat er met het water weg, en waar gaat het naartoe?
10. Wat gebeurt er met het kwarts van het graniet?

Deel III — Vorming tegenover erosie.

11. Bodem ontstaat met $0.017\,\mathrm{mm}$ per jaar. Hoe lang duurt het om het profiel van deel I te vormen?
12. Bij conventioneel ploegen erodeert bodem met $1.537\,\mathrm{mm}$ per jaar. Wat is het nettoverlies per jaar?
13. Hoe lang zou het profiel van deel I meegaan?
14. Vergelijk de twee tijden van de vragen 11 en 13.
15. Onder natuurlijke begroeiing is de erosie $0.013\,\mathrm{mm}$ per jaar. Gaat de bodem verloren?

Deel IV — De levensduur van de bodem.

16. Schrijf de tijd $T$ om een dikte $S$ bodem te verliezen als functie van $S$, van de erosiesnelheid $E$ en van de productiesnelheid $P$.
17. Bereken $T$ voor $S = 30\,\mathrm{cm}$ bij conventioneel ploegen.
18. Bereken $T$ voor $S = 30\,\mathrm{cm}$ bij conserverende landbouw ($0.082\,\mathrm{mm}$ per jaar).
19. Waarom kun je een bodem een hulpbron noemen die zich op de tijdschaal van mensen niet vernieuwt?
20. Hoe lang duurt het om bij conventioneel ploegen een meter bodem te verliezen?

Oplossing

Oplossing van Probleem 7.1.

1. $4 \times 0.3048 \approx 1.22\,\mathrm{m}$.

2. $0.5 \times 30.48 \approx 15\,\mathrm{cm}$.

3. Humus, het donkere organische materiaal dat afbrekers uit dode planten maken.

4. IJzeroxiden, goethiet en hematiet, ontstaan door de oxidatie van het ijzer(II) van de mineralen van het moedermateriaal.

5. Nee. Daaronder zou het profiel overgaan in verweerd gesteente, de saproliet (of ander verweerd materiaal), en dan in het verse moedergesteente.

6. $\ce{2 KAlSi3O8 + 2 H+ + 9 H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 2 K+ + 4 H4SiO4}$.

7. $1000/278.33 \approx 3.59\,\mathrm{mol}$.

8. $3.59/2 \approx 1.80\,\mathrm{mol}$ kaoliniet, $1.80 \times 258.16 \approx 464\,\mathrm{g}$.

9. De kaliumionen en het opgeloste silica: het water voert ze naar de rivieren, en de rivieren voeren ze naar zee.

10. Het reageert nauwelijks: de kwartskorrels blijven als zand achter.

11. $1219/0.017 \approx 72\,000$ jaar.

12. $1.537 - 0.017 = 1.52\,\mathrm{mm}$ per jaar.

13. $1219/1.52 \approx 800$ jaar.

14. $72\,000/800 = 90$: het profiel gaat negentig keer sneller verloren dan het is ontstaan.

15. Nee: $0.013 < 0.017$, de erosie is iets trager dan de productie en de bodem houdt stand.

16. $T = S/(E - P)$.

17. $300/1.52 \approx 200$ jaar.

18. $300/(0.082 - 0.017) = 300/0.065 \approx 4600$ jaar.

19. Een bodem die in een paar eeuwen verloren gaat, heeft tienduizenden jaren nodig om opnieuw te ontstaan: op de schaal van mensenlevens en samenlevingen wordt wat verloren gaat niet vervangen.

20. $1000/1.52 \approx 660$ jaar: bij conventioneel ploegen gaat een meter bodem in ongeveer 660 jaar verloren, een paar eeuwen.