stoffhaushalt von Ökosystemen- integration von methoden zur erklärung von komplexem verhalten...
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Stoffhaushalt von Ökosystemen- Integration von Methoden zur Erklärung von
komplexem Verhalten
Christine Alewell
Universität Bayreuth
Beispiel: Boden- und Gewässerversauerung in Europa
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10
20
30
40
50
60
1900 1920 1940 1960 1980 2000
10
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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
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500
600
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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
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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