De historische CO2 uitstoot in Nederland Gilles Erkens Michiel J. van der Meulen Hans Middelkoop Deltares – Universiteit Utrecht – TNO/Geologische Dienst

God created the world……., Een oud gezegde….. God created the world……., but the Dutch created Holland. 3 april 2017

De venige geschiedenis van Nederland Palaeogeografie 800 A.D. Vos (2010) naar Visscher 1949 Orange - coastal peats Brown - upland peats Figuur 8.2 West-Nederland in het Holoceen (naar Berendsen & Beukenkamp 1986, gewijzigd). Lithostratigrafie naar De Mulder et al. (2003). De zeespiegelstijging heeft bij het ontstaan van dit gebied een belangrijke rol gespeeld. De mariene afzettingen die binnen de huidige kustlijn voorkomen, worden gerekend tot de Naaldwijk Formatie. In de kustvlakte worden twee laagpakketten onderscheiden: het Walcheren Laagpakket (de bovenste zeeklei-afzettingen) en het Wormer Laagpakket (de onderste zeeklei-afzettingen). De Naaldwijk Formatie komt vertand voor met veen van de Nieuwkoop Formatie (= Broek Formatie cf. Berendsen 1982). De Basisveen Laag is de onderste veenlaag, die ligt op Pleistocene afzettingen. Het veen is voor een groot deel ontstaan als gevolg van diffuse kwel, in combinatie met de stijging van de zeespiegel. De Basisveen Laag, die voorkomt op een diepte van 6 - 20 m-mv, wordt alleen onderscheiden als er mariene afzettingen op liggen. Elders spreekt men van het Hollandveen Laagpakket. De indeling van Zagwijn & Van Staalduinen (1975), waarin de Westland Formatie werd onderscheiden, die werd onderverdeeld in een groot aantal eenheden, waaronder de mariene Afzettingen van Calais, het Hollandveen, en de mariene Afzettingen van Duinkerke is thans verlaten. Ook het idee, dat de mariene afzettingen ontstaan zouden zijn als gevolg van min of meer synchrone transgressies en regressies is niet juist gebleken (zie ook het boek: ‘De vorming van het land – Inleiding in de geologie en de geomorfologie’, Hoofdstuk 9). Het Wormer Laagpakket is vooral gedurende het Atlanticum en het Vroeg-Subboreaal gevormd. Door insnijding van getijdekreken is daarbij de Basisveen Laag op veel plaatsen weggeërodeerd. Dit geldt vooral voor een groot deel van Noord-Holland, bijvoorbeeld het gebied tussen Alkmaar en Schagen, de Wieringermeerpolder, en de Haarlemmermeerpolder. Elders werd de Basisveen Laag bedekt met kleiige en zandige mariene afzettingen. De mariene afzettingen komen voor in het gebied ten westen van de lijn Muiden - Gouda - Rotterdam. Ten oosten hiervan ging de veenvorming gedurende het gehele Holoceen door. De Basisveen Laag kan hier niet meer worden onderscheiden, omdat het veen niet verschilt van het Hollandveen Laagpakket, dat tot aan de voet van de stuwwallen van het Gooi voorkomt. In het Midden-Subboreaal ontstond achter een strandwallensysteem een lagune, waarin op grote schaal veenvorming kon optreden. Naarmate de strandwallen hoger en breder werden, kreeg de zee steeds minder frequent toegang tot het gebied achter de strandwallen. Dit leidde tot de vorming van een enkele meters dikke veenlaag op het Wormer laagpakket. Op de aanvankelijk nog brakke kwelderafzettingen ontwikkelde zich eerst eutroof rietveen. Indien daarna geen overstromingen meer plaatsvonden en het veen dus uitsluitend was aangewezen op de aanvoer van regenwater, werd het milieu snel oligotroof. Daardoor konden zich onafhankelijk van het grondwater oligotrofe veenmosvenen ontwikkelen. Een deel van het veen werd bij de latere inbraken van de zee, waarbij het Walcheren Laagpakket werd gevormd, weer weggeslagen. Dit gebeurde vooral in het zuidwestelijk zeekleigebied, in het noordelijk zeekleigebied en in het Zuiderzeegebied. De oudste inbraken in het veengebied dateren van ongeveer 1500 BC, toen de zee de monding van de Vecht bij Bergen binnendrong. Dit was de inleiding tot grootschalige erosie van het veengebied en de vorming van het Oer-IJ. De meren die daarbij werden gevormd, zijn ten dele opgevuld met mariene sedimenten. In Noord-Holland ten noorden van het Oer-IJ begon de afbraak van het veengebied pas omstreeks 1000 AD. Dit hing samen met de uitbreiding van de Zuiderzee. Daarbij ontstonden in Noord-Holland vele grote meren, zoals de Purmer, de Wormer, de Schermer en de Beemster. Ook is als gevolg van doorbraken van de Zuiderzeedijk nog veel erosie opgetreden. Achter de Hollandse kust komt het Walcheren Laagpakket alleen voor in de monding van de Oude Rijn bij Katwijk. Hier dateren de mariene afzettingen uit de periode vóór circa 1200 AD, toen de monding bij Katwijk door duinvorming van de zee werd afgesloten. In de rest van Noord- en Zuid-Holland bleven de strandwallen en het erachter liggende veen voor erosie gespaard. Wel is na circa 1400 AD veel veen afgegraven of gebaggerd ten behoeve van de turfwinning. Berendsen 2005

De metamorfose van Nederland VOOR NA Photo: S. van Asselen Photo: H.J.A. Berendsen Photo: S. van Asselen 3 april 2017

De ontginningen van veengebieden Drainage Afgraven Figuur 8.2 West-Nederland in het Holoceen (naar Berendsen & Beukenkamp 1986, gewijzigd). Lithostratigrafie naar De Mulder et al. (2003). De zeespiegelstijging heeft bij het ontstaan van dit gebied een belangrijke rol gespeeld. De mariene afzettingen die binnen de huidige kustlijn voorkomen, worden gerekend tot de Naaldwijk Formatie. In de kustvlakte worden twee laagpakketten onderscheiden: het Walcheren Laagpakket (de bovenste zeeklei-afzettingen) en het Wormer Laagpakket (de onderste zeeklei-afzettingen). De Naaldwijk Formatie komt vertand voor met veen van de Nieuwkoop Formatie (= Broek Formatie cf. Berendsen 1982). De Basisveen Laag is de onderste veenlaag, die ligt op Pleistocene afzettingen. Het veen is voor een groot deel ontstaan als gevolg van diffuse kwel, in combinatie met de stijging van de zeespiegel. De Basisveen Laag, die voorkomt op een diepte van 6 - 20 m-mv, wordt alleen onderscheiden als er mariene afzettingen op liggen. Elders spreekt men van het Hollandveen Laagpakket. De indeling van Zagwijn & Van Staalduinen (1975), waarin de Westland Formatie werd onderscheiden, die werd onderverdeeld in een groot aantal eenheden, waaronder de mariene Afzettingen van Calais, het Hollandveen, en de mariene Afzettingen van Duinkerke is thans verlaten. Ook het idee, dat de mariene afzettingen ontstaan zouden zijn als gevolg van min of meer synchrone transgressies en regressies is niet juist gebleken (zie ook het boek: ‘De vorming van het land – Inleiding in de geologie en de geomorfologie’, Hoofdstuk 9). Het Wormer Laagpakket is vooral gedurende het Atlanticum en het Vroeg-Subboreaal gevormd. Door insnijding van getijdekreken is daarbij de Basisveen Laag op veel plaatsen weggeërodeerd. Dit geldt vooral voor een groot deel van Noord-Holland, bijvoorbeeld het gebied tussen Alkmaar en Schagen, de Wieringermeerpolder, en de Haarlemmermeerpolder. Elders werd de Basisveen Laag bedekt met kleiige en zandige mariene afzettingen. De mariene afzettingen komen voor in het gebied ten westen van de lijn Muiden - Gouda - Rotterdam. Ten oosten hiervan ging de veenvorming gedurende het gehele Holoceen door. De Basisveen Laag kan hier niet meer worden onderscheiden, omdat het veen niet verschilt van het Hollandveen Laagpakket, dat tot aan de voet van de stuwwallen van het Gooi voorkomt. In het Midden-Subboreaal ontstond achter een strandwallensysteem een lagune, waarin op grote schaal veenvorming kon optreden. Naarmate de strandwallen hoger en breder werden, kreeg de zee steeds minder frequent toegang tot het gebied achter de strandwallen. Dit leidde tot de vorming van een enkele meters dikke veenlaag op het Wormer laagpakket. Op de aanvankelijk nog brakke kwelderafzettingen ontwikkelde zich eerst eutroof rietveen. Indien daarna geen overstromingen meer plaatsvonden en het veen dus uitsluitend was aangewezen op de aanvoer van regenwater, werd het milieu snel oligotroof. Daardoor konden zich onafhankelijk van het grondwater oligotrofe veenmosvenen ontwikkelen. Een deel van het veen werd bij de latere inbraken van de zee, waarbij het Walcheren Laagpakket werd gevormd, weer weggeslagen. Dit gebeurde vooral in het zuidwestelijk zeekleigebied, in het noordelijk zeekleigebied en in het Zuiderzeegebied. De oudste inbraken in het veengebied dateren van ongeveer 1500 BC, toen de zee de monding van de Vecht bij Bergen binnendrong. Dit was de inleiding tot grootschalige erosie van het veengebied en de vorming van het Oer-IJ. De meren die daarbij werden gevormd, zijn ten dele opgevuld met mariene sedimenten. In Noord-Holland ten noorden van het Oer-IJ begon de afbraak van het veengebied pas omstreeks 1000 AD. Dit hing samen met de uitbreiding van de Zuiderzee. Daarbij ontstonden in Noord-Holland vele grote meren, zoals de Purmer, de Wormer, de Schermer en de Beemster. Ook is als gevolg van doorbraken van de Zuiderzeedijk nog veel erosie opgetreden. Achter de Hollandse kust komt het Walcheren Laagpakket alleen voor in de monding van de Oude Rijn bij Katwijk. Hier dateren de mariene afzettingen uit de periode vóór circa 1200 AD, toen de monding bij Katwijk door duinvorming van de zee werd afgesloten. In de rest van Noord- en Zuid-Holland bleven de strandwallen en het erachter liggende veen voor erosie gespaard. Wel is na circa 1400 AD veel veen afgegraven of gebaggerd ten behoeve van de turfwinning. Berendsen 2005 5

Doel van het onderzoek Nederland is gekenmerkt door: Het voorkomen van grote hoeveelheden veen (organische stof) in de ondergrond van West- en Noord-Nederland (de kuststreek) Een lange intensieve landgebruikgeschiedenis: sinds ca. 1000 AD zijn de veengebieden ontwaterd om landbouwgrond te winnen. Drainage van veengebieden veroorzaakt oxidatie van het veen, en daardoor: daling van het landoppervlak CO2 uitstoot Onderzoeksvraag: Hoeveel CO2 is er totaal uitgestoten door landgebruik in Nederland? Waarom willen we dit weten: omdat we weinig weten over de magnitude van dit soort bronnen (zeker op de lange termijn!) om de potentiële toekomstige CO2 uitstoot door landgebruik in veenrijke kustgebieden elders kunnen bepalen 3 april 2017

Aanpak (i) Drainage = oxidatie van veen = daling van het landoppervlak Van de Ven, 1993 After Wetenschappelijke Atlas van Nederland Figuur 8.18 Daling van het veenoppervlak als gevolg van ontwatering (schematisch) (naar: Wetenschappelijke Atlas van Nederland deel 15). Door de wateronttrekking die het gevolg is van het graven van sloten, vermindert de opwaartse druk in de bovenste bodemlagen, waardoor onder invloed van het eigen gewicht compactie (inklinking) optreedt. Veen, dat door ontwatering boven het grondwaterpeil komt te liggen, krimpt bovendien in, terwijl een deel van de organische stof kan vergaan door oxydatie. Een verdere daling van het maaiveld kan optreden door druk van buitenaf (bijvoorbeeld berijding met landbouwmachines), men spreekt in dat geval van zetting. De totale bodemdaling (zakking) bestaat dus uit vier componenten: inklinking, krimp, oxydatie en zetting. De zakking bedraagt in de West-Nederlandse veengebieden vaak meer dan 2 m (Figuur). In Noord-Holland komen zelfs waarden tot 3,5 m voor (Borger 1975). Mede hierdoor liggen grote gebieden thans beneden NAP. Tot omstreeks 1450 vond de lozing van overtollig polderwater op natuurlijke wijze plaats, dat wil zeggen, door middel van uitwateringssluizen, die bij lage standen van het buitenwater konden worden geopend. Bij hoog water werden ze gesloten. Door de als gevolg van wateronttrekking optredende inklinking kon omstreeks 1450 de uitwatering niet meer op natuurlijke wijze plaatsvinden: de standen van het buitenwater waren permanent hoger geworden dan het waterpeil in de polder. Daardoor werd bemaling met windmolens noodzakelijk. Betere ontwatering leidde steeds opnieuw tot verdergaande inklinking, zodat men eind 16e eeuw - begin 17e eeuw over moest gaan op tweetrapsbemaling, en nog later op drietrapsbemaling. In de 18e eeuw werd de schepradmolen vervangen door de vijzelmolen, waardoor het water hoger kon worden opgepompt. In de 19e eeuw werd stoombemaling geleidelijk meer toegepast, terwijl in de 20e eeuw de stoomgemalen zijn vervangen door dieselgemalen. Na 1930 zijn deze weer geleidelijk vervangen door elektrische gemalen. Drainage = oxidatie van veen = daling van het landoppervlak 7

Aanpak (ii) Hoeveel veen is er verloren gegaan door 1000 jaar landgebruik? Landgebruik = bodemdaling over een bepaald gebied = een volume verdwenen veen Benodigde informatie: Hoogte van het huidige landoppervlak Hoogte van het landoppervlak van 1000 jaar geleden 3 april 2017

Methode (i) – volume berekeningen Huidig landoppervlak: Actueel Hoogtebestand Nederland (AHN) Laserhoogtemetingen Landsdekkend Hoge resolutie van 1 x 1 x 0.05 m Bodemdaling door veenoxidatie: Het land dat op dit moment onder NAP1000 ligt, lag ooit op of boven NAP1000. Dit klopt niet voor: Hooggelegen veengebieden (boven 1 m + NAP1000) Gebieden met open water Gebieden zonder veen in de ondergrond Volume verdwenen ‘Oud’ veen: Het volume tussen -0.30 m NAP en het huidig landoppervlak. Van de Plassche, 1982 MSL1000 = ~ 0.3 m -NAP 3 april 2017

Methode (ii) – volume berekeningen Landoppervlak van 1000 jaar geleden: palaeogeografische en palaeobotanische reconstructies Informatie uit boorkernen Historische gegevens Landsdekkend Lage resolutie Soorten veengebieden: Veenkoepels (~2 m boven NAP) Veenvlakten (~80 cm boven NAP) Volumeberekeningen: Het volume tussen NAP1000 en de koepel/vlaktehoogte Disclaimer: Alle schattingen en aannames zijn conservatief! Veenkoepels 800 A.D. naar Pons (1992) 3 april 2017

Resultaten (i) Veentype Oppervlak (km2) Hoogte (m) Volume (km3) ‘Oud’ veen (onder NAP1000) 6661 - 8.3 Veenkoepels (boven NAP1000) beste schatting 4360 2 8.7 spreiding 1 - 4 3.7 – 14.8 Veenvlakten 3534 0.8 2.9 0.5 – 1.5 1.8 – 5.3 Totaal 7895 20.0 13.8 – 28.4 Gemiddelde bodemdaling in de laatste 1000 jaar door de mens: ~ 2.5 m De daling van het landoppervlak door drainage bestaat uit 3 componenten: 1. krimp (verwaarloosbaar op langere tijdschalen) 2. compressie/compactie (~ 15 % op langere tijdschalen) 3. oxidatie (~ 85 % op langere tijdschalen) 3 april 2017

Methode (iii) – Bulk dichtheid Massa organische stof per m3 in de Nederlandse ondergrond (n = 664) Sediment Veen Gemiddelde organische stof dichtheid = 116 kg/m3 (spreiding 80 – 150 kg/m3) Data van de UU, Deltares, and TNO 3 april 2017

Resultaten (ii) Gemiddeld 50 % van de organische stof bestaat uit koolstof (C) De totale hoeveelheid bodemkoolstof vrijgemaakt gedurende de laatste 1000 jaar is: 1.0 Gton (1012 kg) spreiding: 0.5 – 2.0 Gton 1 kg bodemkoolstof staat gelijk aan 3.67 kg atmosferische CO2 De totale hoeveelheid CO2 uitgestoten door landgebruik in Nederland in 1000 jaar: 3.6 Gton (1012 kg) spreiding: 1.7 – 7.3 Gton Dit staat gelijk aan een toename van de atmosferische CO2 concentratie met: 0.46 ppmv (parts per million by volume) spreiding: 0.2 – 0.9 ppmv 50 % van de CO2 emissies worden opgenomen door de oceanen en de biosfeer De netto toename in atmosferische CO2 concentratie is 0.23 ppmv 3 april 2017

De verschillende bronnen Drie bronnen van CO2 uit veen: Verbranding (de kachel) ~ 20% Erosie van oevers na vervening ~ 9% Oxidatie door drainage ~ 71% Verveningen in NL Figuur naar Histland Chris de Bont, Alterra

CO2 uitstoot door de tijd DRAINAGE VERBRANDING In absolute hoeveelheden nu meer CO2 uitstoot door drainage dan door historische verbranding! NB getallen zijn bewerking van de resultaten van Gerding (1995)

Discussie: Is dit eigenlijk veel? In vergelijking met andere bronnen van CO2 uitstoot: Het is minder dan de jaarlijkse CO2 uitstoot door fossiele brandstof in de USA (~ 5.7 Gton CO2) Het staat gelijk aan 50 jaar non-stop Eyjafjallajökull erupties (0.15 - 0.30 Mton CO2 per dag) 3 april 2017

Discussie: wereldwijde impact? In vergelijking met totale landgebruik gerelateerde CO2 uitstoot: Het Nederlands veen heeft 2.3 % voor zijn rekening genomen (studiegebied is slechts 0.1 % van wereldwijde veengebieden). Nederlandse uitstoot is significant vanwege: Intensieve drainage Lange tijdspanne Dikke veenpakketten Extrapoleren van Nederlandse resultaten naar de komende eeuw: Totaal gemiddeld volumeverlies: 2000 km3 Totale gemiddelde bodemdaling: 25 cm Totale uitstoot: 23 ppmv Thick are the coastal zone peatland. Difficulties in estimating peat thicknesses in coastal zones, certainly compared to upland mires. 3 april 2017

Conclusiepunten 1. Met een geologische blik en de juiste data (AHN, palaeo-geografische en –botanische reconstructies) is het mogelijk om verandering in veen volumes door de tijd te bepalen. Drainage van veengebieden veroorzaakte een gemiddelde bodemdaling van 2.5 m in de kustzone Het stug doorzetten van drainage van veenrijke (kust)gebieden zorgt op de lange termijn voor een meetbare en significante toename van CO2 in de atmosfeer De Nederlandse gegevens kunnen gebruikt worden om de potentiële toekomstige uitstoot van CO2 in veenrijke kustgebieden elders te schatten. 3 april 2017

De historische CO2 uitstoot in Nederland Gilles Erkens et al.