Dynamics and effects of nitrogen in European forest ecosystems

Dynamik und Auswirkungen von Stickstoff in den Waldökosystemen Europas

by Andreas Schmitz
Doctoral thesis
Date of Examination:2023-06-26
Date of issue:2023-10-23
Advisor:Prof. Dr. Andreas Bolte
Referee:Prof. Dr. Andreas Bolte
Referee:Prof. Dr. Norbert Lamersdorf
Referee:Prof. Dr. Heinz Flessa
Persistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-10142

 

 

Files in this item

Name:Dissertation Schmitz.pdf
Size:3.73Mb
Format:PDF

The following license files are associated with this item:

Abstract

English

Anthropogenic nitrogen (N) emissions drastically altered the global N cycle over the 20th century. Activities associated with N emissions, such as intensive agriculture and the burning of fossil fuels, greatly increased human well-being. At the same time, the numerous environmental impacts of elevated N availability became apparent. In Europe, N deposition decreased by 36% between 1990 and 2018 due to clean air policies and economic transformation but is in many regions still at a high level. Europe’s forests are an important receptor for N emissions, due to their large land use share and efficient filtering of air pollutants by the tree canopies. An understanding of the responses of forest ecosystems to the decrease in N deposition is important for an effects-based monitoring of clean air policies as well as from a forest ecology perspective. While previous studies reported on specific aspects and areas, the first part of this dissertation provides a European perspective, covering responses to decreasing N deposition of several forest ecosystem parameters. In addition to understanding the responses of forests to N deposition, quantifying the magnitude of N inputs to forests remained challenging, because particulate and gaseous N deposition on the canopies is difficult to measure directly. However, the enforcement of clean air policy and the development of nutrient-sustainable forest management strategies require reliable data on atmospheric deposition. Therefore, the second and third part of this dissertation focus on uncertainties in commonly used methods for calculating N deposition with respect to potential improvements of accuracy. In the first study, we addressed the question of whether Europe’s forest ecosystems have already responded to the decrease in N deposition since the 1990s. We reviewed observational and experimental studies covering the domains of soil acidification and eutrophication, understory vegetation, tree nutrition (foliar element concentrations), tree vitality, and tree growth. Results were generally very heterogeneous, likely linked to the spatial heterogeneity in levels and trends of N deposition across Europe. For soil solution nitrate concentrations, we found moderate indication for a response (decrease), likely related to the reduction of N deposition. For tree nutrition (foliar N concentrations), several studies reported negative (decreasing) trends for beech, oak, and some for spruce. Further research is required to clarify whether this trend is caused by the reduction of N deposition or by an increase in foliar mass due to rising atmospheric CO2 concentrations (“dilution effect”). Several studies report increasing nutrient imbalances (e.g. N:P), which highlights the necessity for incorporating aspects of nutrient sustainability into the planning of biomass removal from forests. We did not find an indication of a large-scale response of understory vegetation, tree growth, or tree vitality to the decrease of N deposition in Europe. Both observational and experimental studies suggest that some forest ecosystem parameters react faster (e.g. soil solution), some slower (e.g. understory vegetation) to changes in N supply. Current and expected future levels of emission reduction are likely insufficient to cause widespread responses. In a second study, we addressed the question to what extent N deposition estimates from large-scale spatial models (“emission-based method” EBM) match with in-situ measurements of N deposition. EBM data is regularly required for the enforcement of clean air policy, for example in licensing procedures for N-emitting facilities. Using Germany as a case study, we compared N deposition estimates from the EBM provided by the German Environment Agency to estimates from two methods based on local measurements at around 100 German intensive forest monitoring stations (“canopy budget model” CBM and “inferential method” IFM). We found that in-situ measurements yield on average 2 kg N ha-1 a-1 (CBM) to 6 kg N ha-1 a-1 (IFM) higher N deposition rates compared to the EBM (average deposition rate at the German intensive forest monitoring stations according to the EBM is 18 kg N ha-1 a-1 ). While a good agreement was found for wet deposition (WD), the EBM provided lower dry deposition (DD) estimates at stronger polluted plots. Differences were most pronounced at spruce plots and partly linked to meteorological variables. Further reductions of the uncertainty inherent in all three methods are required to provide reliable information for clean air policy and forest management decisions. In a third study, we covered one aspect of uncertainty in the CBM method. Specifically, we examined the assumption that the potassium-to-sodium ratios (K+ :Na +) in WD and DD are equal. Due to the lack of long-term direct DD measurements for forests, we simulated the DD of K+ (DDK ) and Na+ (DDNa ) with a process-oriented model. Simulations were performed based on six years of daily PM 2.5 and PM 10 measurements at the air quality monitoring station "Melpitz" in rural Germany. We found that the average K+:Na+ ratio in simulated DD was 0.4 - 0.43 (depending on assumed forest receptor properties). This exceeded the K+ :Na+ ratio in WD measured at the Melpitz station (0.24) by a correction factor of 1.66 - 1.77. Due to uncertainties in the DD simulation approach, we consider our results as an indication, but not evidence, for an underestimation of DDK by the CBM. Applying the correction factors at five intensive forest monitoring plots in the same region as the Melpitz station did not result in relevant changes in the calculated N deposition (maximum change in N deposition: 2%). We conclude that the simplifying assumption of similar substance ratios in DD and WD underlying the CBM was potentially relevant in the context of nutrient sustainability (K+ deposition rates), but not for the calculation of N deposition. Further research is required to test whether these results generalize to regions with different atmospheric conditions.
Keywords: Nitrogen; Forest; Deposition; Canopy budget model; ICP Forests; Base cations

German

Anthropogene Emissionen von Stickstoff (N) haben im 20. Jahrhundert zu einer deutlichen Veränderung des globalen N-Kreislaufs geführt. Die mit der N-Freisetzung verbundenen Aktivitäten, wie die Intensivlandwirtschaft und die Verbrennung fossiler Energieträger, haben die Lebensqualität für einen erheblichen Teil der Weltbevölkerung gesteigert. Zugleich wurden jedoch auch negative Effekte der N-Emissionen deutlich. In Europa sind die N-Einträge im Zeitraum 1990 bis 2018 infolge von Luftreinhaltemaßnahmen und ökonomischem Wandel um etwa 36% gesunken, befinden sich aber in vielen Regionen weiterhin auf einem hohen Niveau. Dabei sind Wälder aufgrund des großen Flächenanteils und der effizienten Filterwirkung der Baumkronen für Luftschadstoffe ein wesentlicher Rezeptor für die N-Belastung. Ein Verständnis der Folgen des Rückgangs der N-Einträge für die Wälder Europas ist als wirkungsseitige Erfolgskontrolle der Luftreinhaltepolitiken und aus waldökologischer Perspektive bedeutsam. Während bisherige Studien Information zu einzelnen Aspekten dieser Fragestellung bereitstellen, liefert der erste Teil der vorliegenden Dissertation eine europäische Gesamtschau über mehrere Wirkungsbereiche. Neben der Erfassung der Auswirkungen stellt auch die Quantifizierung der Höhe der N-Einträge eine Herausforderung dar, weil die Messung der partikulären und gasförmigen Deposition in den Kronenraum methodisch sehr aufwändig ist. Für die Umsetzung von Luftreinhaltemaßnahmen und die Entwicklung nährstoffnachhaltiger Waldbewirtschaftungsstrategien ist die korrekte Erfassung der atmosphärischen Deposition jedoch von großer Bedeutung. Der zweite und dritte Teil der vorliegenden Dissertation adressieren daher Unsicherheiten in den derzeit genutzten Methoden zur Quantifizierung der N-Einträge im Hinblick auf Verbesserungsmöglichkeiten. In einer ersten Studie wurde die Frage bearbeitet, wie die Waldökosysteme Europas auf den Rückgang der N-Einträge seit etwa 1990 reagiert haben. Dazu wurde eine Literaturauswertung von Beobachtungsstudien zu den Themenbereichen Versauerung und Eutrophierung des Waldbodens, Bodenvegetation, Baumernährung, Waldzustand und Waldwachstum durchgeführt. Ein wesentliches Merkmal der untersuchten Studien war die große Heterogenität der Reaktionen auf die rückläufigen N-Einträge in Europa. Chemische Analysen der Bodenlösung unter Wald deuten auf einen moderaten Rückgang der Nitratkonzentrationen hin, was vermutlich eine Reaktion auf die rückläufigen N-Einträge darstellt. Beobachtungsstudien zur Baumernährung berichten von einem leichten Rückgang der N-Konzentrationen in den Blättern/Nadeln für Buche, Eiche und z.T. auch Fichte. Ob der Rückgang der N-Deposition oder eine Zunahme der Blatt/-Nadelmasse infolge des Anstiegs der atmosphärischen CO2-Konzentrationen („Verdünnungseffekt“) für diese Entwicklung ursächlich ist, lässt sich zum aktuellen Zeitpunkt nicht abschließend klären. Die vielfach berichtete Zunahme von Nährstoffungleichgewichten (z.B. N:P) verdeutlicht die Notwendigkeit, Aspekte der Nährstoffnachhaltigkeit bei der Biomasseentnahme zu berücksichtigen. Bezüglich der Bereiche Bodenvegetation, Waldwachstum und Waldzustand wurden keine Studien gefunden, die von großräumigen Reaktionen auf den Rückgang der N-Einträge in Europa berichten. Sowohl Beobachtungsstudien als auch experimentelle Studien deuten darauf hin, dass einige Untersuchungsbereiche schneller (z.B. Bodenlösung) und andere langsamer (z.B. Bodenvegetation) auf eine Verringerung der N-Einträge reagieren. Die Größenordnung der bisherigen und zukünftig erwartbaren Rückgänge der N-Einträge in die Wälder Europas ist wahrscheinlich nicht ausreichend, um großskalige Reaktionen in allen Untersuchungsbereichen hervorzurufen. In einer zweiten Studie wurde die Frage bearbeitet, in wie weit großskalige räumlich aufgelöste Modelle („emissionsbasierte Methode“, EBM) hinsichtlich der N-Deposition mit in-situ Messungen übereinstimmen. EBM-Daten werden routinemäßige für die Umsetzung von Luftreinhaltepolitiken herangezogen, beispielsweise im Kontext von Genehmigungsverfahren für N-emittierende Anlagen. Am Beispiel des vom Umweltbundesamt bereitgestellten EBM-Datensatzes wurde ein Vergleich der N-Depositionsraten mit zwei auf lokalen Messungen basierenden Verfahren (“Kronenraumbilanzmodell” KRB und “Inferentialmethode” IFM) an etwa 100 forstlichen Intensivmonitoringflächen in Deutschland durchgeführt. Die auf den in-situ Messdaten basierenden Methoden lieferten im Mittel 2 kgN ha-1 a-1 (KRB) bis 6 kgN ha-1 a-1 (IFM) höhere N-Depositionsraten verglichen mit der EBM. Die mittlere N-Depositionsrate an den Intensivmonitoringflächen entsprechend der EBM lag bei 18 kgN ha-1 a-1. Während eine gute Übereinstimmung bezüglich der nassen Deposition (WD) gefunden wurde, liefert die EBM insbesondere bei stärker belasteten Standorten geringere Trockendepositionsraten (DD) als die KRB und die IFM. Der Unterschied zwischen den Methoden war an Fichtenflächen besonders ausgeprägt und hing teilweise mit meteorologischen Größen zusammen. Um eine belastbare Datengrundlage für Luftreinhaltemaßnahmen und Waldbewirtschaftungsstrategien bereitzustellen, ist eine Verringerung der erheblichen Unsicherheiten erforderlich, mit der alle verglichenen Methoden behaftet sind. In einer dritten Studie wurde ein spezifischer Aspekt der Unsicherheit in der KRB-Methode untersucht. Es wurde die Annahme überprüft, dass die Kalium-Natrium-Verhältnisse (K+:Na+) in der WD und der DD ähnlich sind. Aufgrund des Mangels an direkten Messungen der DD in Wälder über längere Zeiträume wurde die DD von K+ (DDK) und Na+ (DDNa) mit einem prozessorientierten Modell simuliert. Als Datengrundlage dienten sechs Jahre täglicher Konzentrationsmessungen in zwei Größenklassen (PM2.5 und PM10) an der Luftqualitäts-Messstation „Melpitz“ bei Leipzig. Das mittlere K+:Na+-Verhältnis in der (simulierten) DD war 0.4 - 0.43 (abhängig von den angenommenen Rezeptoreigenschaften der Waldbestände), während das K+:Na+-Verhältnis der in Melpitz gemessenen WD im Mittel bei 0.24 lag. Damit müsste die DDK entsprechend des KRB-Ansatzes mit einem Korrekturfaktor von 1.66 - 1.77 multipliziert werden, um die DDK des prozessorientierten DD-Modells zu erreichen. Aufgrund der Unsicherheiten in dem genutzten Simulationsansatz werden die Ergebnisse als möglicher Hinweis aber nicht als eindeutiger Befund einer Unterschätzung von DDK durch die KRB interpretiert. Die Anwendung dieser Korrekturfaktoren an fünf Intensivmonitoringflächen in derselben Region wie Melpitz führte nicht zu einer nennenswerten Änderung der mit der KRB berechneten N-Deposition (größte Abweichung: 2%). Die vereinfachende Annahme ähnlicher Substanzverhältnisse in der DD und WD, die der KRB-Berechnung zugrunde liegt, war somit potentiell problematisch für Betrachtungen zur Nährstoffnachhaltigkeit (Höhe der K+-Einträge), aber nicht für die Berechnung der Höhe der N-Deposition. Weitere Untersuchungen sind erforderlich, um zu überprüfen, ob diese Ergebnisse auf Regionen mit anderen atmosphärischen Bedingungen übertragbar sind.
 
Statistik