Drainage in een evoluerende context¶

Inpolderen, ontwateren van een gebied na aanleg van dijken, dateert in onze streken van zo’n 1000 jaar geleden. Kostbare landbouwgrond kon gewonnen worden waardoor de bevolking uit de donkere middeleeuwen kon groeien. Landinwaarts gronden ontwateren, ‘drainage’, werd daarentegen slechts voor het eerst vermeld in Engeland nagenoeg 400 jaar geleden; het zou afgeleid zijn van het Engelse ‘dry’, droog maken. Drainage zoals we die vandaag kennen, is pas echt recent, van eind 19de eeuw. In dezelfde periode werden ook grote infrastructuurwerken uitgevoerd om gebieden te bevloeien en vruchtbaar te maken. Zo kon de aanleg van de Kempische kanalen het grondwaterpeil op vele plaatsen in het noorden van de Kempen verhogen en er op die manier welvaart brengen. Dergelijke waterbeheersingswerken hebben toegelaten om op grote schaal gronden productief te maken en sterke bevolkingsgroei in onze streken mogelijk te maken.

Onder kunstmatige drainage kan ruim gesproken zowel oppervlakkige als ondergrondse drainage vallen. Oppervlakkige drainage houdt in dat het perceel ontwaterd wordt door het aanleggen van rabatten, kleine greppels of grachten op het perceel, die het overtollige water aan het bodemoppervlak afvoeren. Tegenwoordig wordt met ‘drainage’ in de praktijk echter voornamelijk gedoeld op ondergrondse drainage: het aanleggen van een ondergronds netwerk van doorlatende buizen. Deze invulling van het begrip ‘drainage’ betekent ook dat een perceel ongedraineerd genoemd wordt, ook al wordt het via sloten of greppels op en langs het perceel wel (oppervlakkig) gedraineerd (Stuyt, 2013). De aard van deze drainagebuizen is de laatste decennia geëvolueerd van kleipotten naar plastieken of zelfs biologisch afbreekbare buizen. Ook kan er met moldrainage een ondergronds drainagesysteem aangelegd worden zonder buizen. Verder in deze tekst zal de term ‘klassieke drainage’ gebruikt worden voor een ondergrondse buizendrainage, wat in Vlaanderen het meest voorkomende systeem is.

Het draineren van landbouwgronden staat toe om laaggelegen gronden in cultuur te brengen en productief te maken. Hierdoor is er gevoelig minder structuurschade aan de bodem doordat er niet langer in zeer natte omstandigheden op het perceel gekomen wordt. Ook zal sterke regenval minder leiden plasvorming en oppervlakkige afspoeling, omdat het regenwater meer ruimte heeft om in te dringen in de bodem.

Schattingen geven aan dat wereldwijd ongeveer 1/3 van alle niet bevloeid bouwland baat zou hebben bij een vorm van ontwatering (De Wrachien en Feddes, 2003). Momenteel is hiervan 1/9 effectief gedraineerd (De Wrachien et al., 2017). Voor Vlaanderen zijn geen duidelijke cijfers gekend. Ontwatering kent er zeer vele vormen. In sommige gebieden werd het grootschalig aangepakt, bijvoorbeeld in de beneden-Dommel. Overal werd ook on the spot ingegrepen: rabatten werden getrokken, grachten gegraven, of een enkele drain ingegraven, enz… tot bemaling. Alles bedoeld om zeer lange tijd te werken. Vele van deze ingrepen worden momenteel niet echt meer onderhouden omwille kosten of van schaal van landbouw, of naderen stilaan hun levenseinde.

De onuitgesproken aanname bij het aanleggen van een klassieke drainage was dat het klimaat voor periodes van meer dan 50 jaar stabiel zou blijven, met andere woorden dat de nood aan drainage voor de decennia na aanleg even groot zou blijven (De Wrachien et al., 2017). Deze aanname gaat tegenwoordig echter niet meer op, omwille van twee redenen. Enerzijds blijkt het aanleggen van klassieke drainages op de laaggelegen natte gronden in Vlaanderen zeer ingrijpend te hebben gewerkt op het watersysteem, waardoor de laatste decennia in grote gebieden in Vlaanderen het grondwaterpeil over een lange periode gevoelig gedaald is. Anderzijds zorgt de klimaatopwarming voor het frequenter voorkomen van lange periodes met weinig neerslag in de zomer, zodat de watervoorziening van de landbouwgewassen ook op deze laaggelegen en (voormalig) natte gronden in het gedrang komt.

Een klassieke drainage werkt automatisch, en zal in alle gevallen het water afvoeren dat het niveau van de drainagebuizen bereikt, ook op momenten dat dit voor de landbouwer eigenlijk niet wenselijk is, zoals na de inzaai van het gewas. Peilgestuurde drainage is een aanpassing van een klassieke drainage, die toestaat om het tijdstip en de diepte van de drainage te gaan beheren. Peilgestuurde drainage werd reeds een 50-tal jaar geleden ontwikkeld en toegepast in verschillende staten van de USA als reactie op ‘overdrainage’: percelen die gedraineerd werden omwille van voor de hand liggende redenen bleken al gauw te droog te liggen in het productieseizoen (Doty et al., 1975). Sommige onderzoekers moesten zelfs besluiten dat in het merendeel van de klassieke drainages sprake is van ‘overdrainage’ (Christen et al., 2001).

De toepassing van peilgestuurde drainage kan op verschillende manieren. Een zeer eenvoudige toepassing van peilgestuurde drainage is bijvoorbeeld het plaatsen van een stuw in de beek of gracht waar de drains in uitmonden. De meest gebruikte vorm in Nederland en Vlaanderen is echter aansluiten van de drains op een afvoer- of verzamelbuis, die uitmondt in een regelput. In deze regelput kan vervolgens de ontwatering aangestuurd worden. Deze aansturing gebeurt in Nederland en Vlaanderen doorgaans met het ‘buisje van Iersel’. Dit is een buis die op de verzamelbuis kan aangesloten worden om de ‘ontwateringsbasis’ te verhogen (Figure 1). Met ontwateringsbasis wordt de diepte bedoelt waarop het water afgevoerd wordt via de drainagebuizen. Hoe dieper de ontwateringsbasis, hoe meer water afgevoerd wordt door de drainage. Indien de drainagebuizen op 100 cm onder het maaiveld liggen, is de ontwateringsbasis dus 100 cm. Wanneer vervolgens in de regelput een regelbuis van 40 cm hoog verticaal op de verzameldrain gezet wordt, verandert de ontwateringsbasis naar 60 cm diepte. Hierdoor zal er pas grondwater afgevoerd worden door de drains als het opstijgt tot boven een diepte van 60 cm onder het maaiveld.

Een typische toepassing van een dergelijk peilgestuurd drainagesysteem is bijvoorbeeld een perceel waarvan de drains op 100 cm diepte liggen. Tijdens de winter wordt de ontwateringsbasis in de regelput verhoogd naar 50 cm diepte. Hierdoor zal er minder water door de drainagebuizen afgevoerd wordt naar de gracht, waar het uiteindelijk afstroomt naar de Noordzee en uit ons watersysteem verdwijnt. Enkel indien het grondwaterpeil stijgt tot boven 50 cm diepte zal de drainage beginnen lopen. Een deel van dit vastgehouden water zal uiteindelijk via ondergronds waterstroming toch naar de gracht stromen, maar een ander deel zal verder kunnen insijpelen naar het diepe grondwater en zo de waterreserves aanvullen. Een paar dagen voor de werkzaamheden in het voorjaar kan de landbouwer de drainage terug ‘openzetten’ (de ontwateringsbasis terug op het niveau van de drains zetten, namelijk 100 cm diepte), zodat het grondwaterpeil zakt en de bovenste bodemlagen voldoende indrogen voor de perceelswerkzaamheden (Figure 2). Na grondbewerking, bemesting en inzaai van het gewas kan de drainage terug ‘gesloten worden’ (de ontwateringsbasis terug op 50 cm diepte zetten), zodat het grondwaterpeil terug kan stijgen en via capillaire nalevering beschikbaar wordt voor het gewas. In het najaar kan de drainage indien nodig opnieuw even opengezet worden om de oogst in optimale omstandigheden te laten doorgaan.

Een goed beheerde peilgestuurde drainage heeft dus als gevolg dat de waterbeschikbaarheid voor het gewas in het voorjaar en de vroege zomer groter is, doordat de watervoorraad onderaan de wortelzone toeneemt. Hierdoor kan het gewas droge periodes beter doorstaan en is er minder nood aan bovengrondse irrigatie.

Impact van peilgestuurde drainage op gewasproductie¶

Capillaire nalevering¶

Wanneer de bodem indroogt als gevolg van de wateropname door het gewas en wanneer er in verhouding te weinig neerslag valt, dan ontstaat een hydraulisch drukverschil waardoor water uit de ondergrond, vanuit het grondwater naar de wortelzone opstijgt. Dit wordt de capillaire nalevering genoemd, en is schematisch is dit weergegeven in figuur 3. Dit proces hangt samen met 3 factoren: de graad van droogte, de mate waarin de ondergrond het water doorlaat, en de afstand tussen het grondwater en de wortelzone, en dus de diepte van het grondwater ten opzichte van maaiveld.

Drainage grijpt in op de beweging van het grondwaterpeil – dat is uiteraard de bedoeling. Hierdoor kan de bodemwaterhuishouding boven de grondwatertafel, waar ook de beworteling ontwikkelt, betekenisvol worden gewijzigd. Als gevolg hiervan zal de wateropname door het gewas ook veranderen, en hiermee gepaarde gaande de plantontwikkeling, en dus uiteindelijk de opbrengst.

Het algemeen belang van capillaire nalevering in de vochtvoorziening van een gewas kan eenvoudig geïllustreerd worden aan de hand van een bodemwaterbalans. Op een perceel aardappelen op zandgrond uit de irrigatiesturing van Bodemkundige Dienst van België bevond het grondwaterpeil in het groeiseizoen van 2018 zich op ca. 200 cm diepte. Dit perceel had sterk te leiden onder de droogte, waardoor er 7 irrigatiebeurten nodig waren (links, Figure 4). Indien de grondwatertafel 1 meter hoger had gestaan, neemt het vochtgehalte in de wortelzone gevoelig toe in het voorjaar en zijn er in de zomer slechts 4 irrigatiebeurten meer nodig (centraal, Figure 4). Indien de grondwatertafel verder zou stijgen naar 80 cm diepte dan kunnen de aardappelen praktisch volledig in hun waterbehoefte voorzien worden door capillaire nalevering uit het grondwater (rechts, Figure 4).

Een dramatische peilverhoging zoals hierboven doorgerekend zal in de realiteit met peilgestuurde drainage enkel gehaald kunnen worden indien er een extra bijkomende waterbron aangesproken kan worden die actief in het peilgestuurde drainagesysteem ingebracht wordt (zoals gebeurt bij subirrigatie), of op lange termijn indien er over een heel gebied een consistente peilverhoging gerealiseerd kan worden.

Wanneer peilgestuurde drainage in isolatie op perceelschaal toegepast wordt zijn de resultaten minder dramatisch, maar zeker betekenisvol! Op basis van veldmeting op proefpercelen in Noord-Limburg kon het grondwaterpeil berekend worden in de ongedraineerde, klassieke gedraineerde en peilgestuurde gedraineerde situatie (Figure 5).

De impact van het beheer van de peilgestuurde drainage kwam op dit perceel duidelijk tot uiting: voor de perceelswerkzaamheden in het voorjaar werd de drainage opengezet, en zakte het grondwaterpeil terug tot op het niveau van de drainagebuizen (links, Figure 6). Vervolgens werd de drainage onmiddellijk terug gesloten, zodat de daaropvolgende weken het waterpeil in de ondergrond terug opgebouwd kon worden (rechts, Figure 6). In de zomer zakte ook bij de peilgestuurde drainage het waterpeil weg tot onder het niveau van de drains, maar dit gebeurde trager dan bij de klassieke drainage, zodat er nog langer in het groeiseizoen capillaire nalevering vanuit de ondergrond naar het gewas kon plaatsvinden.

Op basis van deze proefvelden in de zandstreek van Limburg en Antwerpen kon berekend worden dat een realistische waterwinst met peilgestuurde drainage 20 tot 35 mm gedurende het groeiseizoen bedraagt, met andere woorden een waterwinst ter grootte van 1 à 2 irrigatiebeurten (Elsen en Coussement, 2019).

Bijkomend belangrijk is dat deze verbeterde watervoorziening in veel gevallen plaatsvindt op een moment dat gewassen extra gevoelig zijn aan droogte. Maïs bijvoorbeeld is vanaf het 10-12^de blad zeer droogtegevoelig, doorgaans eind juni en begin juli (Figure 7). Aangezien peilgestuurde drainage de watervoorziening juist in deze periode kan bufferen, kan het gewas in veel gevallen deze gevoelige periode doorkomen zonder grote nood aan bijkomende bovengrondse irrigatie.

Verhoogde gewasproductie¶

Voor de bedrijfsleider is natuurlijk de win-situatie voor het bedrijf primordiaal: hoe wordt een hogere investering in peilgestuurde drainage ten opzichte van klassiek drainage terugverdiend? In economische termen, welke is de marginale opbrengst van peilgestuurde drainage ten opzichte van klassieke drainage? Het financiële rendement van de verbeterde watervoorziening door peilgestuurde drainage kan doorgerekend worden op basis van de relatie tussen gewasproductie en gewasverdamping. Voor een periode van 10 jaar komt dit neer op een meeropbrengst van 100 tot meer dan 450 euro per hectare per jaar door de omvorming van een klassieke naar een peilgestuurde drainage (Figure 8; Elsen en Coussement, 2019), afhankelijk van de teelt. Indien de rotatie teelten zoals aardappelen of groenten bevat zal de het financieel rendement vanzelfsprekend hoger liggen dan bij maïs of gras. Op basis van deze cijfers kan ruwweg berekend worden dat indien de omvormingskost naar een peilgestuurde drainage 2000 euro per hectare bedraagt, deze investering op een redelijke termijn van 5 à 15 jaar terugverdiend kan worden.

Nutriëntenhuishouding¶

Naast gevolgen voor de bodemwaterhuishouding en de gewasgroei heeft de omvorming van een klassieke naar een peilgestuurde drainage mogelijk ook gevolgen voor de nutriënten N en P in de bodem. De effecten die theoretisch mogelijk zijn worden voor stikstof goed samengevat in de balansfiguur van Stuyt et al. (2012) (Figure 9).

Bij peilgestuurde drainage zal er minder water wegstromen door de drains, en meer water opgenomen worden door het gewas. Hierdoor zullen ook de opgeloste nitraten (en in mindere maten fosfaten) meer benut worden door het gewas en minder verloren gaan. Een deel van de stikstof die niet uitspoelt zal dus benut kunnen worden door het gewas. Een verhoogde nutriëntenopname door het gewas bij een betere vochtvoorziening werd reeds op veel proefvelden waargenomen.

De rest van de stikstof die niet meteen uitspoelt aan het oppervlak zal dieper uitspoelen. In deze diepere lagen kan een bepaald deel van de stikstof door een verzadigde zone passeren, waar het zal denitrificeren naar het gasvormige type en dus niet verder zal uitspoelen. Het andere deel van dit uitspoelende nitraat zal echter via ondergrondse stroming (na lange tijd) opnieuw het oppervlaktewater bereiken, of in het diepere grondwater terecht komen. Naast de verhoogde gewasopname van stikstof is een bijkomend voordeel van peilgestuurde drainage dat er gedurende langere periodes in het jaar een groter deel van de ondergrond verzadigd is, zodat de zone waar denitrificatie kan plaatsvinden groter is dan bij een klassieke drainage. Dit is echter sterk perceelsafhankelijk. Bovendien is het in de praktijk zeer moeilijk gebleken om deze theoretische effecten van denitrificatie te bevestigen met terreinmetingen. Denitrificatie is immers een proces dat praktisch onmogelijk is om in isolatie te meten, en ook de impact op de afvoer van nutriënten via de drains is zeer moeilijk om te bepalen.

Samenvattend kan worden gesteld dat peilgestuurde drainage – in de zin dat deze techniek zorgt voor een efficiëntere vochtopname en een betere gewasgroei - een positief effect uitoefenen op de nutriëntenbelasting naar grond- en oppervlaktewater.