ASLIHAN URAL JANSSEN

In Europa zijn intensieve landbouw en verstedelijking belangrijke bronnen van nutriëntenemissies naar de lucht en het oppervlaktewater (rivieren en kustwateren). Verhoogde emissies van stikstof (N) en fosfor (P) kunnen schadelijke effecten hebben op de menselijke gezondheid en het milieu. Geïntegreerde nutriëntenanalyses die zowel lucht als oppervlaktewater omvatten, zijn tot op heden beperkt beschikbaar, met name op stroomgebiedschaal voor de Europese Unie (EU) en het Verenigd Koninkrijk (VK). Dit belemmert een beter begrip van hotspots van lucht- en waterverontreiniging, hun oorzaken en toekomstige trends. Daardoor is het lastig om stroomgebiedsspecifieke reducties te identificeren die nodig zijn om toekomstige verontreiniging te voorkomen. Geïntegreerde modellen zijn noodzakelijk om deze kennislacunes te vullen, maar bestaan nauwelijks voor gecombineerde beoordelingen van lucht- en oppervlaktewaterverontreiniging voor EU-stroomgebieden, inclusief het VK.

Ondanks de vooruitgang van het EU-beleid zijn nutriëntenbeheer strategieën nodig die gelijktijdig lucht- en waterverontreiniging verminderen. De effecten van dergelijke strategieën zijn echter nog nauwelijks onderzocht voor Europese stroomgebieden en toekomstige perioden, waarbij rekening wordt gehouden met sociaaleconomische ontwikkelingen en klimaatverandering (drijvende krachten achter mondiale verandering). De groeiende bevolking en de toenemende vraag naar landbouwproductiviteit vergroten de noodzaak van hernieuwbare alternatieven, zoals bio-based meststoffen (BBFs), ter vervanging van niet-hernieuwbare kunstmest. BBFs kunnen potentieel bijdragen aan het verminderen van nutriëntenverontreiniging door het terugwinnen van nutriënten uit dierlijke mest en zuiveringsslib. De milieueffecten van BBFs worden echter vaak geanalyseerd op kleine schaal en doorgaans specifiek voor lucht- of waterverontreiniging. Bovendien is het gecombineerde effect van BBFs en andere nutriëntenbeheer strategieën op lucht- en waterverontreiniging onder aardsysteemveranderingen op EU-niveau onvoldoende onderzocht. Hierdoor ontbreekt een samenhangend beleid voor de adoptie en implementatie van BBF-producten in de EU en het VK.

Het hoofddoel van dit proefschrift is daarom het vergroten van inzicht in stroomgebiedsspecifieke patronen van nutriëntenemissies naar de lucht en het oppervlaktewater, en het verkennen van de rol van BBFs en andere nutriëntenbeheer strategieën bij het terugdringen van toekomstige nutriëntenverontreiniging onder mondiale veranderingen in de EU en het VK.

Daartoe worden drie subdoelen (S) gerealiseerd:
S1: Het kwantificeren van de bijdrage van landbouwactiviteiten aan lucht-, rivier- en kustwaterverontreiniging, met de nadruk op nutriënten in Europese stroomgebieden (Hoofdstuk 2);
S2: Het beoordelen van toekomstige riviertransporten van N en P en het identificeren van benodigde reducties om kust-eutrofiëring in Europa te voorkomen onder mondiale verandering (Hoofdstuk 3);
S3: Het kwantificeren van de effecten van het gebruik van teruggewonnen N uit mestverwerking en teruggewonnen P uit zuiveringsslib, het verhogen van N- en P-gebruikefficiënties in de landbouw en het verbeteren van rioolwaterzuiveringinstallaties om toekomstige nutriëntenemissies naar de lucht, de nutriëntentoevoer naar rivieren en het nutriëntentransport naar kustwateren in Europa te reduceren (Hoofdstuk 4).

Dit proefschrift bestaat uit vijf hoofdstukken. Hoofdstuk 1 onderbouwt de onderzoeksdoelstellingen. Hoofdstuk 2 beschrijft de modelontwikkeling voor het recente verleden (S1). Hoofdstukken 3 en 4 richten zich op modeltoepassingen voor de toekomst onder respectievelijk sociaaleconomische en klimatologische ontwikkelingen (S2), en voor verschillende scenario’s inclusief BBFs en andere nutriëntenbeheer strategieën (S3). Hoofdstuk 5 bevat de synthese en discussie van de onderzoeksresultaten, gevolgd door een toekomstperspectief. Hieronder wordt het onderzoek uit Hoofdstukken 2–4 samengevat.

Hoofdstuk 2 (S1) presenteert het nieuw ontwikkelde MARINA-Nutrients-model voor Europa (Models to Assess River Inputs of pollutaNts to seAs for Nutrients). Het model kwantificeert jaarlijkse N-emissies naar de lucht vanuit landbouwactiviteiten, de toevoer van N en P naar rivieren en hun transport naar kustwateren vanuit punt- en diffuse bronnen. Diffuse bronnen omvatten het gebruik van kunstmest en dierlijke mest op landbouwgrond, biologische N₂-fixatie door vegetatie, atmosferische N-depositie op land, uitspoeling van organische stof en verwering van P-houdende mineralen. Puntbronnen bestaan uit rioolstelsels. Het model is toegepast op 601 (deel)stroomgebieden voor de periode 2017–2020. Nieuwe modelinzichten laten zien dat bijna twee vijfde van de reactieve N-emissies naar de lucht vanuit de landbouw afkomstig is van dierlijke huisvesting en opslag. Landbouw – met name het gebruik van kunstmeststoffen en dierlijke mest – en rioolstelsels zijn op EU-niveau verantwoordelijk voor 55% van de N- en 67% van de P-belasting van rivieren. Bijna een derde van het Europese stroomgebiedsoppervlak bestaat uit verontreinigingshotspots (lucht, water of beide), die samen meer dan de helft van de N-emissies naar de lucht en nutriëntenverontreiniging in rivieren veroorzaken. Bovendien woont 59% van de totale bevolking in het studiegebied in deze hotspots. Hotspots zijn gedefinieerd als stroomgebieden waar de totale N-emissie naar de lucht en nutriënteninput naar rivieren hoger is dan het 80e percentiel.

Hoofdstuk 3 (S2) beschrijft de benodigde reducties van toekomstige nutriëntentransporten via rivieren om kust-eutrofiëring in 2050 te voorkomen. Hiervoor is een toekomstig basisscenario ontwikkeld en een backcasting-benadering toegepast. Het basisscenario combineert de verhaallijnen van Shared Socio-economic Pathway 5 (fossiele brandstof-gedreven ontwikkeling) en Representative Concentration Pathway 8.6 (extreme klimaatverandering) en is doorgerekend met het MARINA-Nutrients-model. Met behulp van de Indicator for Coastal Eutrophication Potential (ICEP) wordt een doelstelling voor lage eutrofiëring vastgesteld. De resultaten tonen aan dat de nutriëntentransport naar Europese zeeën in 2050 naar verwachting met 13–28% zal toenemen ten opzichte van 2017–2020. Dierlijke mest en kunstmest dragen naar verwachting voor 35% bij aan de toekomstige N-export via rivieren, terwijl de resterende bijdragen voornamelijk afkomstig zijn van rioolstelsels (22%), atmosferische N-depositie op landbouwgrond (14%) en uitspoeling van organische stof (10%). Rioleringssystemen zijn naar verwachting verantwoordelijk voor 70% van de toekomstige P-export. Het voorkomen van kust-eutrofiëring vereist voor de tien meest vervuilde rivieren een reductie van meer dan 47% voor N en tot 77% voor P in 2050 ten opzichte van 2017–2020. In deze stroomgebieden zal naar verwachting 42% van de bevolking wonen, die mogelijk wordt getroffen door kust-eutrofiëring.

Hoofdstuk 4 (S3) biedt nieuwe inzichten in de effecten van BBFs op het verminderen van toekomstige nutriëntenemissies naar de lucht en nutriëntentoevoer naar oppervlaktewateren in de EU en het VK, in combinatie met andere nutriëntenbeheer strategieën. De onderzochte BBFs zijn teruggewonnen stikstof uit mestverwerking (ReNuRe) en teruggewonnen fosfor uit behandeld zuiveringsslib (RPSS). Zes scenario’s voor 2050 zijn ontwikkeld, waaronder het gebruik van BBFs alleen en in combinatie met verhoogde nutriëntengebruiksefficiënties in de landbouw en verbeterde rioolwaterzuivering. Deze scenario’s zijn doorgerekend met het geactualiseerde MARINA-Nutrients-model voor 2050. De resultaten laten zien dat de inzet van ReNuRe -producten in combinatie met een verhoogde N-gebruiksefficiëntie een synergetische optie is, resulterend in reducties van 30% in N-emissies naar de lucht, 23% in N-toevoer naar rivieren en 20% in N-transport naar kustwateren ten opzichte van het toekomstig basisscenario. Door het combineren van RPSS, verhoogde P-gebruiksefficiëntie en verbeterde rioolwaterzuivering worden reducties van 68% in P-input naar rivieren en 62% in P-export naar kustwateren verwacht. De resultaten tonen aan dat RPSS alleen al kan voorzien in de fosfor mestbehoefte van de EU en het VK in 2050.

Hoofdstuk 5 synthetiseert de onderzoeksresultaten en behandelt deze aan de hand van een SWOT-analyse (Strengths, Weaknesses, Opportunities, Threats). De sterke punten omvatten een nieuw geïntegreerd nutriëntenmodel voor lucht en oppervlaktewater, vertrouwensopbouwende benaderingen en het gebruik van verschillende typen scenario’s (predictief, exploratief en normatief). De zwakke punten zijn onder meer de hotspotdefinitie, de stationaire modelbenadering, ontbrekende (lokale) bronnen en het ontbreken van andere BBF-typen. Kansen zijn er voor diepgaandere analyses van toekomstige trends in lucht- en waterverontreiniging, onder andere door de flexibele soft-coupling-opzet van het MARINA-Nutrients-model en de interacties tussen BBFs en andere nutriëntenbeheer strategieën. Bedreigingen hebben betrekking op onzekerheden in de modelleringsketen, mogelijke afwegingen en beleidsmatige barrières voor de implementatie van BBFs. Op basis hiervan worden perspectieven op BBFs en hun rol in het verminderen van lucht- en waterverontreiniging besproken vanuit milieu, agronomische, technologische, beleidsmatige en sociaaleconomische invalshoeken.

Concluderend laat dit proefschrift zien dat nutriëntenverontreiniging in stroomgebieden van de EU en het VK naar verwachting in de toekomst zal toenemen, waardoor aanzienlijke reducties van N- en P-emissies noodzakelijk zijn. Tegelijkertijd bestaan er synergetische oplossingen om nutriëntenemissies naar zowel de lucht als het oppervlaktewater te verminderen en toekomstige kust-eutrofiëring te voorkomen. BBFs vormen een veelbelovende strategie waarvan het reductiepotentieel vaak wordt onderschat. Het proefschrift benadrukt dat BBFs vooral effectief zijn wanneer zij worden gecombineerd met hogere nutriëntengebruiksefficiënties en verbeterde rioolwaterzuivering. Dit biedt belangrijke kansen om de milieudoelstellingen van de EU en de duurzame ontwikkelingsdoelen voor schone lucht en schoon water te ondersteunen.