Immobilisation of nitrogen in context of critical loads

Abstract

Im Rahmen der Critical Loads Berechnung ist die bestmögliche Abschätzung der Stickstoff-Immobilisation unter steady-state Bedingungen ein wichtiger Faktor. Zur Zeit sind verschiedene Ansätze in der Diskussion. Daher wurde eine Literaturstudie zu vorliegenden Immobilisationsraten und Einflussfaktoren ebenso wie eine Abschätzung anhand von Inventurdaten aus Frankreich, der Schweiz und Deutschland durchgeführt. Für letztere wurden die Immobilisationsraten anhand von Stickstoffvorrat und Alter der Böden berechnet. Die Werte der langfristigen Stickstoff-Akkumulationsraten in der Literatur beruhen auf Input-Output-Bilanzen bzw. auf kurzfristigen Veränderungen der Stickstoffvorräte im Boden. Diese aktuellen Raten reichen von 1.8 und 42 kg ha-1 yr-1. Es werden sogar negative Werte beschrieben. Die Werte variieren mit der Beprobungstiefe und können von innerhalb eines Profils von Immobilisation zu Mobilisation wechseln. Die in der Studie berechneten N-Immobilsationsrate sind niedriger. Der Mittelwert der N-Immobilisationsraten für glazial geprägte Standorte reicht von 0.4 kg ha-1 yr-1 in Deutschland und 0.8 kg ha-1 yr-1 für die Schweiz nd Frankreich. Unter der Annahme der periglaziale Böden ca. 24.000 Jah-re alt sind ergeben sich Werte von 0.035 bis 1.6 kg ha-1 yr-1 mit einem Mittelwert von 0.2 kg ha-1 yr-1 für Frankreich und Deutschland sowie 0.4 kg ha-1 yr-1 für die Schweiz. Dies ist eine Abschätzung und überschätzt die Rate, wenn Böden älter sind als 24.000 Jahre. Trotzdem zeigt es, dass die Immobilisationsraten in der organischen Auflage bis 60cm geringer als 1.5 kg ha-1 yr-1 (90 Perzentil). Diese Ergebnisse decken sich sehr gut mit jenen von Rosen et al. (1992) und Johnson & Turner (2014), die eine jährliche Rate von zwischen 0.2-0.5 kg ha-1 yr-1 und 0.5-1.0 kg ha-1 yr-1 angeben. Einen Zusammenhang zwischen Temperatur und N-Vorräten konnte nicht gefunden werden, wohl aber mit der mittleren Lufttemperatur und der Höhe. Der höchste Korrelationskoeffizient ergab sich zu C-Vorräten. Auf Grundlage der Auswertungen zeigte sich, dass die stratifizierten N-Vorräte bis 40 cm geeignet sind, die langfristigen N-Immobilisationsraten im Rahmen der Critical Loads Berechnungen abzuschätzen. Die Daten liegen in den internationalen Monitoringprogrammen für viele Länder vor bis 40cm. Quelle: Forschungsbericht

Estimating nitrogen immobilisation under steady state conditions is an important part in the Critical Load computation. Different approaches are available and currently under discussion. A literature review of immobilisation rates and impact factors had been done as well as an evaluation of nitrogen stocks from soil inventory data of France, Germany and Switzerland. We estimate immobilisation rate by soil age and nitrogen stocks. The results of a literature review of long-term N-accumulation rates mentioned above are contradicted by results of input-output budgets and studies of short-term changes in soil N-stocks. This current N-accumulation rates can show positive expression with rates between 1.8 and 42 kg ha-1 yr-1 as well as negative rates. Changes in N stocks often vary in different soil depths and furthermore can change from accumulation in one layer to mobilisation in another. The calculated immobilisation rates from inventory data are quite lower. The median of N-accumulation rates of glacial sites are 0.4 kg ha-1 yr-1 for German and 0.8 kg ha-1 yr-1 for Swiss and French sites. Assuming that periglacial sites are at least 24000 years old the N-accumulation ranged from 0.035 to 1.6 kg ha-1 yr-1 with a median of 0.2 kg ha-1 yr-1 for France and Germany and 0.4 kg ha-1 yr-1 for Switzerland. This calculation is very rough and is an overestimate in cases where soils were much older than 24 000 years BP. Nevertheless, this calculation suggests that N-immobilisation in OL and mineral soil till 60 cm soil depth is less than 1.5 kg ha-1 yr-1 (90 percentile). Our results are consistent with Rosen et al. (1992) and Johnson and Turner (2014) who estimated the annual N-immobilisation since the last glaciation at between 0.2-0.5 kg ha-1 yr-1 and 0.5-1.0 kg ha-1 yr-1, respectively. The results of the correlation analyses show no significant negative correlation between N-stocks and mean air temperature in all soil compartments. In contrast N-stocks are significant positive correlated with mean annual precipitation in all compartments the altitude and the N-stocks are significant positive correlated with correlation coefficients between 0.009 and 0.25 (not significant in TS 60cm). The strongest significant correlation with coefficients between 0.76 and 0.98 was found between N-stocks and C-stocks. According to the stratified N-stock analysis the upper layers of the mineral soil contains the major part of the total soil N. In order to estimate the long-term N-immobilisation for the Critical Load calculation these top soil layers (40 cm) might be sufficient. This would comply with most international monitor-ing programs, which are limited to this depth. Quelle: Forschungsbericht

Estimating the nitrogen immobilisation under steady state condition is a crucial part of the critical load calculation. This report contains the results of a literature review focusing on this topic and the description of a new method to estimate the nitrogen immobilisation. For this approach, soil inventories from France, Switzerland and Germany were used to estimate nitrogen immobilisation on basis of nitrogen stocks and soil age.