Stoffhaushalt von Ökosystemen- Integration von Methoden zur Erklärung von komplexem Verhalten...

Stoffhaushalt von Ökosystemen- Integration von Methoden zur Erklärung von

komplexem Verhalten

Christine Alewell

Universität Bayreuth

Beispiel: Boden- und Gewässerversauerung in Europa

0

10

20

30

40

50

60

1900 1920 1940 1960 1980 2000

10

6 t

on

s y

ea

r-1

SO2 NOx

Daten von: Erisman und Draaijers (1995) und Agren (1999)

Versauerung Reversibilität

Entwicklung der gasförmigen Emissionen in Europa

Fragestellung

Modellprognosen in Europa: Erfolg als Zufallstreffer?

Modellanalysen und Ergebnisse stabiler Isotope: eine unüberbrückbare Kluft?

Wie ist die Situation in europäischen Waldökosystemen hinsichtlich Boden- und Gewässerversauerung im Moment zu beurteilen?

Gliederung

„20-Jahre-Reversibilität“ von Gewässerversauerung:Modellansätze und Prognosen

Erkenntnisgewinn durch stabile Schwefelisotope:Einblick in die „Black Box“

Stoffhaushaltsberechnungen

Konsequenzen

Ausblick

Gliederung

„20-Jahre-Reversibilität“ von Gewässerversauerung:Modellansätze und Prognosen

Erkenntnisgewinn durch stabile Schwefelisotope:Einblick in die „Black Box“

Stoffhaushaltsberechnungen

Konsequenzen

Ausblick

Gewässer

Boden

Atmosphäre

Boden

SO42-H+

Ca2+ , Mg2+, Na+, K+

SO42-

SO42-

SO42-

SO42-

Modellierung von Versauerung Hohe Deposition verursacht Boden- und Gewässerversauerung

SO42-

SO42-

Al3+ , H+

Gewässer

Boden

Atmosphäre

Boden

SO42-H+

SO42-

SO42-

SO42-

SO42-

H+, Al3+ SO42-

SO42-

Ca2+ , Mg2+

Na+, K+

Modellierung von Erholungsprozessen Rückgang der Deposition: Verzögerung der Erholung

sorbiertes Sulfat

Sulfatkonz. in der Gleichgewichtslös.

b

b/2

1/k

x Langmuir - Isotherme

Modellierung der Sulfat-Dynamik

Modellierung der Sulfat-Dynamik

Löslichkeitsprodukt bei 298°K

Alunite (KAl3)(SO4)2(OH)6 - 83.4 ... -85.4

Jurbanit Al(SO4)(OH) * 5H2O -17.7

Basaluminit Al4(SO4)(OH)10 * 5H2O -116 ... -117.3

Al-Hydroxo-Sulfate

Sowohl visuelle Auswertung wie auch die Anwendung von objektiven Modellbewertungskriterien sprechen gegen Al-Hydroxo-Sulfate als kontrollierende Phase in der Bodenlösung.

Modellierung der Sulfat-Dynamik: Ausfällung versus Adsorption

(Alewell et al., 1995)

Ausfällung/ Auflösung Al-HydroxosulfateSorption/ Desorption

80%ige Reduktion

1900 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050

19501940 1960 1970 2030200019901980 20202010 2040 20501900 193019201910

193019201910

Sulfur Deposition (Central Europe)

Decrease in Deposition

Oilc

risis

Increase in DepositionW

ord

l W

ar

I

Wo

rld

War

II

Sulfur in streams

Equilibrium without "Acid rain"

Date

Alewell, 2001

Soils A = low sulfate storage capacity Soils B = high sulfate storage capacity

Modellierung der Sulfat-Dynamik in Europa

In Böden ist zwischen 20 - 90% des Schwefels organisch gebunden.

Relative hohe, experimentell bestimmte Raten von Schwefelmineralisationraten (Labor und Freiland, z.T. mit 35S/ 34S)(Mayer, Prietzel, Urban, Fitzgerald, Strickmann, Schindler, Freney etc.)

Diskussion um die Bedeutung der biologischen Prozesse im Boden.

Modellierung der Daten aus dem Nordosten USA

Erfolgreiche Modellierung: wo ist das Problem?

Hubbard Brook Experimental Forest(White Mountains, NH)

Volume weighted sulfate concentrations in stream water. Case 1: adsorption/ desorption of inorganic sulfate only. Case 2: Additional S source as dry deposition. Case 3: Additional S source as mineralisation/ weathering. Driscoll et al., (1998)

Modellierung der Sulfatdynamik

Hubbard Brook Experimental Forest, NH, USA

Driscoll et al. (1998)

Modellierung der Sulfatdynamik

150 Einzugsgebiete im Nordosten der USA

Gliederung

„20-Jahre-Reversibilität“ von Gewässerversauerung:Modellansätze und Prognosen

Erkenntnisgewinn durch stabile Schwefelisotope:Einblick in die „Black Box“

Stoffhaushaltsberechnungen

Konsequenzen

Ausblick

Stabile Schwefel Isotope

32S = 95 %, 33S = 0.8 %, 34S = 4.2%, 36S = 0.02%

34S (‰) = (34S/32Ssample : 34S/32Sstandard -1) * 1000

Natürliche Fraktionierungen im Ökosystem:

Bakterien/ Enzyme bevorzugen das leichtere 32S

niedrige (leichte) 34S Werte im Produkt

höhere (schwere) 34S Werte im Edukt

Stabile Schwefelisotope als Indikatoren für Mineralisation

Hubbard Brook Experimental Forest

Alewell et al. (1999)P1, P2 Precipitation, WS5, WS6 = runoff at Watersheds 5 and 6.

Lehstenbach - Einzugsgebiet(Fichtelgebirge)

Alewell und Gehre, 1999

Stabile Schwefelisotope als Indikatoren für Mineralisation

Gemös (terrestrisch)

2

3

4

5

6

7

25.07.95 10.02.96 28.08.96 16.03.97 02.10.97 20.04.98 06.11.98 25.05.99

34S (‰) Bestandesniederschlag

Bodenlösung 90 cm

Grundwasser

Köhlerloh (anmoorig)

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

25.07.95 10.02.96 28.08.96 16.03.97 02.10.97 20.04.98 06.11.98 25.05.99

34S (‰)

Bestandesniederschlag

Bodenlösung 90 cm

Grundwasser

Alewell und Gehre, 1999

Stabile Schwefelisotope als Indikatoren für reduktive Prozessete

rres

tris

ch

Modellvorstellung zum S - Kreislauf nach stabilen Isotopen

Sorg- Pool

SO42--Deposition

SO42- im Abfluss

adsorbiert SO42- SO4

2- in Lösung

Alewell, 2000

Synthese ?

Erfolgreiche Modellierungüber chemische Prozesse

in Europa

Erfolglose Modellierung im Nordosten USA

Stabile Isotope: Bedeutung biologischer Prozesse

Gliederung

„20-Jahre-Reversibilität“ von Gewässerversauerung:Modellansätze und Prognosen

Erkenntnisgewinn durch stabile Schwefelisotope:Einblick in die „Black Box“

Stoffhaushaltsberechnungen

Konsequenzen

Ausblick

Schwefelbilanzen 1966 - 1994

Hubbard Brook Experimental Forest

Bilanz: Eintrag - Austragca. 153 kg S ha-1 28yr-1

- 55 (trockene Dep.) - 16 (Verwitterung)

82 kg S ha-1 28yr-1

Beitrag des organischen Schwefels zum Sulfat im Abfluss?

283 kg S ha-1

Organischer Schwefel:

1576 kg S ha-1

Anorganisches Sulfat

124 kg S ha-1

Niederschlag

Abfluss

436 kg S ha-1

Alewell et al. (1999)

Verwitterung:16 kg S ha-1

17-94 kg S ha-1

Trockene Deposition

Boden

Bilanz: Eintrag - Austragca. 153 kg S ha-1 28yr-1

Villingen/ SchluchseeSchwarzwald

BraunerdeVillingen

85

150

Bilanz:65

Kumulative Sulfat Flüsse ( 1988 - 1996) und Bodenvorräte bis in 80 cm Tiefe (kgS ha-1). (Alewell, 2001; Armbruster, 1998; Prietzel, 1998)

Beitrag des organischen Schwefels zum Sulfat im Abfluss?

organischer S:

680

anorganisches SO4:

376

108

PodsolSchluchsee

81

189

organischer S:

823

anorganisches SO4:

23

bis 120 kg S ha-1yr-1

Modellierung mit Langmuir Isotherme

SO42--Deposition

SO42- im Bach

SO42- in Lösung

adsorbiertes SO42-

Adsorption/Desorption

Sorg- Pool

< 13 kg S ha-1yr-1

Geringe DepositionNiedrige anorg. SO4

2- VorräteNordamerika, Standort Schluchsee

Hohe Depositionhohe anorg. SO4

2- Vorrätedeutsche Mittelgebirge

Gliederung

„20-Jahre-Reversibilität“ von Gewässerversauerung:Modellansätze und Prognosen

Erkenntnisgewinn durch stabile Schwefelisotope:Einblick in die „Black Box“

Stoffhaushaltsberechnungen

Konsequenzen

Ausblick

Lehstenbach-Einzugsgebiet (Fichtelgebirge)

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100

200

300

400

500

600

700

800

1.1.87 23.8.88 15.4.90 6.12.91 28.7.93 20.3.95 9.11.96 2.7.98

(µmolc l-1)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

pH

Sulfat Aluminium pHEU - Richtwert für Aluminium im Trinkwasser: 5.5 µmolcl-1

Konzentrationen im Abfluss

Lehstenbach-Einzugsgebiet (Fichtelgebirge)

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

1.1.87 23.8.88 15.4.90 6.12.91 28.7.93 20.3.95 9.11.96 2.7.98

(µmolc l-1)

AbflussFreilandniederschlag

(Alewell et al., 2000a)

Konzentrationen „Basischer” Kationen ( Ca2+, Mg2+, K+, Na+)

Lehstenbach-Einzugsgebiet (Fichtelgebirge)

Deutsche Mittelgebirge:1 Bramke (Harz) 2 Metzenbach (Spessart)3 Lehstenbach (Fichtelgebirge)4 Markungsgraben (Bayerischer Wald)5 Villingen (Schwarzwald)6 Schluchsee (Schwarzwald)

1

6

4

32

5

(Alewell et al., 2000b)

Bilanzen „Basischer” Kationen ( Ca2+, Mg2+, K+, Na+)

Deutsche Mittelgebirge

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

0

50

1980 1985 1990 1995 2000

mm

ol c

m-2

yr-1

Villingen

Schluchsee

Metzenbach

Markungsgraben

Lehstenbach

Lange Bramke

Bilanz = Deposition - Austrag Abfluss

Entwicklung der Nadelspiegelwerte

Coulissenhieb, Lehstenbach-Einzugsgebiet, Fichtelgebirge

Alewell et al., 2000b

Nadelalter

22.08.96 16.06.9918.10.97

Anhaltende Waldschäden

Coulissenhieb, Lehstenbach-Einzugsgebiet, Fichtelgebirge

ICP Waters Report 52/ 2000; Hesthagen et al., 1991, 1999, 2001; Raddum et al., 2001; Juggins et al., 1995; Snucins et al., 2001, Mills et al., 2000, Findlay et al., 1999a,b; Landesamt für Wasserwirtschaft, Berichte 1988, 1997, 1999)

Erholung biologischer Parameter in versauerten Fließgewässern?

Deutschland/ Tschechische Republik:nein (maximal erste Anzeichen)

UK:nein, trotz leichter Erholung chemischer Parameter

Norwegen/ Sweden:ja, aber stark verzögert (Vergleich zu chemischen Parametern)

Canada:ja, aber verzögert (Vergleich zu chemischen Parametern)

Schlußfolgerung I

Wie ist die Situation in Waldökosystemen hinsichtlich Boden- und Gewässerversauerung im Moment zu beurteilen?

Bei hohen Sulfatvorräten und/oder reduzierten Einträgen von „basischen“ Kationen:anhaltende Boden- und Gewässerversauerung trotz drastisch reduzierter Deposition (z.B. deutsche Mittelgebirge)

Bei geringen Sulfatvorräten und gleichbleibender Deposition „basischer“ Kationen: schnelle Erholung (z.B. Skandinavien)

Schlußfolgerung II

Im Gegenteil. Nur durch eine Synthese der zur Verfügung stehenden „Werkzeuge“ (Modellanwendung, Stabile Isotope, Stoffhaushalt u.a.) kann das komplexe Verhalten von Ökosystemen beschrieben werden.

Erfolgreiche Modellprognosen in Europa: Zufallstreffer?

Modellanalysen und Ergebnisse stabiler Isotope: eine unüberbrückbare Kluft?

Bei den damaligen hohen Depositionen war die Annahme einer weitgehend chemischen Kontrolle der Sulfatdynamik korrekt.Aber: Je niedriger die Deposition und die Vorräte an anorganischem Sulfat, desto bedeutsamer werden die biologischen Schwefel-Umsetzungen.

Ausblick: Zukünftige Forschung

Einfluß von Umweltveränderungen auf Elementkreisläufe in naturnahen Ökosystemen Kopplung der Elementkreisläufe von N, S, C und Nährstoffkationen

Stickstoffsättigung/ Denitrifikation vor allem in Uferrandzonen (riparian zones) bzw. moorig/ anmoorigen Gebieten

Kohlenstoffsenkenkapazität: Humusakkumulation versus Nettomineralisation

Modellierung der Daten stabiler Isotope (15N, 18O und 34S) Quantifizierung von biologischen Prozessen (Reduktion, Mineralisation) mit

deterministischen und numerischen Modellen

Erholung von versauerten Fließgewässern: Kopplung chemischer mit biologischen Parametern „guter ökologischer Status“ (Wasser-Rahmenrichtlinie der EU)

Regionalisierung und Prognose