文摘
我们评估的影响酸性沉积和奥地利森林土壤氮。直到30年前的空气污染导致了土壤酸化,和关注未来的生产率的森林。氮沉降率升高被认为导致硝酸浸出和森林的营养不平衡。我们使用来自土壤监测网络的数据来评估趋势和现状的pH值和C: N奥地利森林土壤的比例。和氮沉积测量内容的挪威云杉针和苔藓被用来评估氮供应。土壤的pH值增加,因为降低质子口供由减少排放。C: N奥地利森林土壤的比例不断扩大。尽管高氮沉降率的增加林分密度和生产率提高了氮的需求。奥地利生物学指标网格显示,森林生态系统仍缺乏氮。土壤保留有效氮、硝酸浸出进入地下水目前不是一个大规模的问题。 The decline of soil acidity and the deposition of nitrogen together with climate change effects will further increase the productivity of the forests until a limiting factor such as water scarcity becomes effective.
1。介绍
森林在中欧提供多方面的生态系统服务。除了他们的木材生产和保护功能,土壤代表一个有效的过滤和净化层水穿过,保持碳和氮。维护土壤碳储量的有助于减缓气候变化。此外,森林土壤缓冲酸沉积。在过去三十年中几个因素已确定这些妥协提供生态系统服务。
在1970年代末,增加森林的证据出现下降(1]。这个话题吸引了大量的公众注意力,其次是主动减少碳排放和改善森林土壤(2,3]。在1980年代中期,氮饱和假说长大。由于工业过程氮输入森林已经达到前所未有的水平(4- - - - - -6]。预计,铵的释放到土壤有害由于质子生成在硝化作用(7- - - - - -9]。形成硝酸盐淋溶进入地下水,因此基阳离子丢失。氮饱和的假设是扩展到营养失衡;这些发生在高增长率的结果,造成多余的氮,当其他营养物质供应不足(10]。一般趋势后,奥地利森林土壤受到酸性沉积的影响。许多网站携带养分利用的遗产是由于先前的土地利用方式。这些网站尤其倾向于酸化(11]。土壤上形成钙质基石更脆弱。历史的土地利用形式也影响了氮循环。关于氮饱和的假设,这是预期,许多森林土壤氮在过去严重枯竭。这些森林土壤,因此,不容易被传入的过饱和的氮,即使氮沉积负载超过实际需求。
在奥地利,1990年和2009年之间的减排达72%2,但只有3%NH和4%3。而年平均浓度在奥地利nonurban地区减少了在过去的20年,奥地利极限值(30μg米−3根据BGBl。298/2001)以及临界负载(10到20公斤N公顷−1年−1根据各自的生态系统(12])往往超过了附近的道路(13,14]。临界载荷是一个参考系统定义元素的沉积的上限可以安全地处理内部的生态系统。元素的沉积/超过物质时的能力成了问题。临界负荷来自土壤浸出率的估计也特别脆弱的生物反应的如地衣、苔藓,和维管植物15- - - - - -18]。空气监测站不规则经常安装和放置预计高污染的地方。替代方法是必要的,为了提供更广泛的调查报道点。Bioindication与苔藓是一个有用的工具来评估的氮沉降19- - - - - -21]。(我)在本文中,我们展示了长期趋势的土壤pH值在奥地利森林土壤评价以往酸化的程度和恢复森林土壤酸性下降沉积的结果。我们将演示的长期趋势的影响氮口供对土壤属性。(2)我们评估效果的基础上,土壤参数和受体生物,也就是说,奥地利森林树木的营养氮。(3)我们比较当前沉积大量的质子和无机氮与先前建立的临界载荷。浓缩氮作为一个潜在的反应,我们现在的时间趋势氮营养的奥地利森林基于网格奥地利生物学指标。作为氮供应的空间分布的迹象,我们提出在苔藓氮浓度。(iv)通路的氮在森林生态系统的例子中,硝酸浸出到groundwater-will的例子证明了两个案例研究。
2。材料和方法
2.1。监测网络
评估是基于土壤和口供的化学数据和从奥地利bioindication数据监测网络独立的几个部分进行跨国网络(表1)。
2.2。土壤
的初始土壤采样是ICP-Forests“我水平监测网络”(http://www.icp-forests.net)和第二采样是在进行“BioSoil”项目(22]。数据的pH值和C: N比率选择从全面的数据池,这里讨论。数据集由39网站钙质基岩和100网站silicatic基石。
2.3。口供
奥地利沉积监测网格森林生态系统(ICP森林项目)由20块代表奥地利的主要森林类型。站点位于净化空气的区域和反映大气沉积背景水平。此外,17个样本块联邦沉积监测网络,主要分布在农村地区,都包括在内。
位置和奥地利沉积监测电网的分析方法介绍(23],[联邦沉积监测网络的24]。在一系列的离子质子的年度沉积率和总无机氮(硝酸盐和铵)内容从湿沉积进行了评估。
2.4。Bioindication云杉和松树针
在奥地利生物学指标网格(http://bioindikatornetz.at;本)污染物输入和森林的营养状况监控。本组织和包括的内容主要是在规则的网格养分和微量元素在云杉和松树针。抽样完成每年的秋天。叶的含氮量是用于此评估。根据(25]表明缺氮含量< 1.3%。
2.5。Bioindication与苔藓
苔藓物种Hylocomium splendens, Pleurozium schreberi、灰cupressiforme Abietinella abientina,和Scleropodium purum在5年的间隔采样和分析氮。这些物种有相似的形态结构和相似的氮吸收机制。苔藓分析的目的是为了获得一个长期的代理输入氮沉积综合监控系统不可用。在这里我们使用氮气的内容。
2.6。案例研究在深入调查情节
输入/输出氮的预算估计有两个长期监测的情节在奥地利。
网站Zobelboden属于“远程跨界空气污染公约”(CLRTAP)程序和位于石灰岩阿尔卑斯山北部(纬度:47°50 30′”N,经度14°26 30′′′;http://www.umweltbundesamt.at/im)。基岩形成的白云岩,海拔850 - 956米,年平均气温为7.2°C,和年降雨量1500 - 1800毫米不等。混交林是由挪威云杉(挪威云杉)和山毛榉(Fagus sylvatica)。该网站收到约。20公斤N哈−1年−1根据森林类型,21至27公斤N公顷−1年−1在开放的领域(26,27]。
网站Muhleggerkopfl也位于石灰岩阿尔卑斯山北部(纬度47°34 50′′′N;经度11°38 21′′′E)在面对东北偏北的斜坡海拔910米。年平均气温和降水量6.8°C和1563毫米,分别。实验森林是130 -岁,由挪威云杉。本网站收到大约20公斤N公顷−1年−1(28,29日]。
2.7。临界荷载的计算
酸化的土壤和森林生态系统的氮饱和计算基于奥地利森林调查(30.),森林土壤的奥地利库存31日),和Corine 2006土地覆盖数据32]。硫、氮和阳离子沉积率估计时间序列建模的来源(33,34]。
土壤数据与SAS统计软件包进行了评估。土壤pH值的变化和C: N比率第一个和第二个土壤库存,意味着是由成对比较t以及。根据地质分层数据衬底。质子的时间趋势和氮输入的趋势在1983年和2008年之间,氮缺乏云杉和松树林的比例由线性回归进行评估。
3所示。结果
3.1。土壤
奥地利森林土壤一直显示增加的pH值在20年(图1)。最强劲的增长发生在有机表层(FH地平线)和减少与土壤矿物的深度的影响。变化是相当大的。土壤的脱氧是强在钙质土壤基础比silicatic土壤。大的误差由小规模解释土壤特性的空间变异性。pH值的时间变化是显著的深度层的石灰性土壤和有机表层和上层土壤矿物(清廉厘米)的silicatic土壤。由于酸化物质沉积的减少酸化的临界载荷超过只有奥地利森林面积的0.6%。
C: N比率是一个综合指标的浓缩和氮的可用性。狭窄的C: N比率表明一个高可用性的氮与改进等几个后果氮供应对植物和土壤微生物活性更高。根据图2C: N比率略扩大在过去20年。在森林里效果最强的地板材料。土壤没有回应2中不同地质基质。土壤pH值,相反的变化C: N比率不是统计学意义,虽然比变得更广泛。
3.2。口供
湿质子的长期测量沉积(游离酸度)在奥地利显示普遍降低。在1984和1993年代的输入质子大幅下降(39 - 99%)在五个地点位于北部高山rim和内心的高山地区24]。inputs-up最高0.7公斤H+哈−1年−1偏东部的奥地利。化学在奥地利雨水的质量参差不齐根据距离发射器,和他们接触进口空气污染物。在一般情况下,污染物负荷对应于降水模式,这样更高的沉积尤其在阿尔卑斯山脉的北部斜坡和一定程度上在克恩顿州南部。质子的平均沉积是134 g H+哈−1年−1和显著减少7 g H+哈−1年−1从1984年到2009年(;图3、表2)。
氮是进入生态系统作为铵的沉积,硝酸盐和有机氮。平均总无机氮输入公顷大约是8公斤−1年−1。图3说明氮沉降的相当大的变化,非均质性造成的网站。网站的变化是由距离引起的降水率高和高当地排放和网站在雨帘很少接受沉积的山脉。在观察期间在1996年和2009年之间略有氮输入,但显著降低了。最高的无机氮输入(22公斤公顷−1年−1)观察在北部高山rim和东部的奥地利,最低的内心的阿尔卑斯山脉。
氮富营养化的关键负荷超过了一些网站。酸化的平均临界负荷相对较高是由于在许多奥地利地区碳酸盐岩基岩。超过数只发生在奥地利森林面积的0.6%。富营养化的关键载荷基于质量平衡约11公斤公顷−1年−1。氮固定增加高度,而损失氮浸出与高度降低。氮的关键负载改变10至20公斤N公顷−1年−1在奥地利领土。总的来说,94%的奥地利森林面积特征沉积超过富营养化的临界载荷。超过数是4.1公斤N公顷−1年−1平均和最高在阿尔卑斯山北部和东部奥地利(表3)。
3.3。Bioindication云杉和松树针
降低土壤中氮的可用性的趋势,表明由C: N比率,对应于缺氮在针由奥地利生物学指标显示网格(图4)。根据N的阈值为1.3%,氮缺乏网站在奥地利森林的面积增加了1980年代初以来。相比之下,氮供应已经减弱,没有证据表明氮富集给出基于氮云杉针的内容。
营养状态的地理分布已经完全改变了过去30年(图5)。地区北部和东南部与氮供应充足,目前受缺氮。在中央山脉氮供应下降在过去的25年里。
3.4。苔藓
苔藓的氮含量的分布可以作为一个替代氮沉降在树木或灌木没有直接覆盖的地区。如图6,氮沉降一直升高在人口稠密的地区,特别是在汽车交通的密度高,在硝酸氮主要是沉积。此外,更高的浓度在奥地利北部是由集约农业(如牛提高)。在这些地区是主要的排放源(铵21]。苔藓在山区的氮含量显著降低。
(一)
(b)
3.5。案例研究在深入调查情节
关注森林氮饱和的调用实现的几个案例研究硝酸浸出从森林生态系统量化。在两个长期监测站点Zobelboden和Muhleggerkopfl降水高,所以,即使在低氮浓度在雨中沉积负荷是相当大的。这些网站的特点是通过成熟spruce-dominated森林或混合conifer-deciduous森林和马赛克的深铬始成土和浅rendzic Leptosols,由底层白云岩砾石。目前我们评估土壤是否能够保留传入的硝酸氮或他们是否发布到岩溶含水层。重复土壤库存在Zobelboden表示略有增加有机氮池的表层和植物学家观察到氮的覆盖率要求增加草本植物和苔藓植物35,36]。浸出的氮损失的估计显示没有迹象表明氮饱和。氮释放在水相,虽然很高,但仍占主导地位的特定事件,如强大的雪融化,大量的litterfall由于干旱在2003年,或增加氮的可用性树皮甲虫袭击之后,取出一些树和一些可用的闲散氮(36]。因此,无机氮浸出甚至可以上升到20公斤N公顷−1年−1。的总体大小氮浸出森林和土壤类型之间的显著不同。提洛尔的网站也显示了一个非凡的氮保留能力。所有的年水相中的氮释放低于氮输入从沉积37]。
4所示。讨论
土壤pH值的一致的增加在过去的20年里给的证据强有力的奥地利森林生态系统的变化(图1)。森林土壤的alkalinisation也被证明一直在欧洲38,39]。土壤酸度的降低可以部分归因于的减少2和排放减少压力由酸沉积造成的。然而,减少工业排放的影响叠加的土壤从负面影响的长期复苏前土地利用实践(40]。矿物肥料成为可用于低价格之前,二战后不久,森林通常作为来源为农业和有机物质和营养物质,因此,在退化(41]。在过去的60年,恢复森林土壤被观察到在中欧(42]。因此,土壤pH值的增加是一个结合反应减少工业排放源和土地利用强度的变化。
扩大土壤C: N比率表明,减少在奥地利森林土壤氮的可用性(图2)。由于进口远程运输和当地空气污染氮排放,造成相当高的氮沉降比工业化前的数量。目前,排放略有下降。除了垃圾的中止斜确保不再大量的氮从森林土壤。这是假设森林土壤氮接近饱和。然而,我们没有发现证据表明,森林土壤氮积累。强调增加的主要原因是欧洲中部的森林的生产力。同时反应如氮富集的分化,有限公司2受精,改变了森林管理和伸长生长季节的显示,氮是最重要的因素43- - - - - -45]。此外,酸性沉积(这样的负面影响2,大规模)不再有效。的增长率增加森林土壤高氮供应的需求。森林是平行的高生产率低氮叶子和内容只能支持的有效利用土壤氮池,表明缺氮的增加和更广泛的C: N比率(数字2和4)。等其他因素增加土壤有机质分解由于更高的温度和较高的土壤pH值(46)和改进的类型的森林管理可能不那么重要了。
质子沉积的变化显著(图3)。关心环境的质量导致法律措施约束行业有效地减少2排放。实现成功的明确的产业资源2。减少氮氧化物的排放,以抵消氮饱和的影响是更加困难的来源这些氮化合物更分散。道路交通密度的增加导致氮排放增加利率,几乎补偿其它行业的减排。考虑到这一点2排放量有所下降大气中浓度没有显著减少我们得出这样的结论:硫酸现在是次要的相关性对土壤酸化,而硝酸仍供应质子。硝化作用进一步酸化的来源由高NH引起的4沉积。
森林的氮营养的衰落(数字4和5)是解释观察到的森林管理动力学在过去几十年。森林生态系统在中欧已经使用更少的剥削了几十年。被意识到,封闭的生态系统的养分循环相关,他们的维修已经完全融入可持续森林管理的概念。氮需求更强烈增加比氮供应在奥地利由于扩展边际农业用地和绿化面积的年轻森林氮高的需求47]。此外,站密度增加是由于经济约束的变薄操作。政治动机对扩大可再生能源的生产预计将增加对木材的需求在未来生物质。因此会增加管理强度和加强动员的资源(17,48]。
树是投资增加的额外的氮针生物质为了实现高生产率。氮的供应和可用性在一个生长季节延长由于气温上升降低了光合活性组织氮含量。在结论中,氮的增加可用性不是投资于氮针头和树叶,但在扩张的树。受精试验表明,氮修正案领导只暂时性的叶子中浓度更高,但主要是补充之前耗尽土壤氮池(49]。
针的结果分析证实了苔藓分析。在针相比,苔藓气氛是主要的氮源。含氮量的分析表明,苔藓是一个有用的积分参数的长期供应从大气氮源(21,35]。
氮浸出的案例研究没有给出任何迹象表明,森林土壤将失去他们保持氮的能力。氮饱和假说根据(9)仍被认为是有效的。然而,在自然条件下不可能证明,适度提高氮口供导致连续和长期氮浸出。此外,长期研究的荟萃分析显示许多因素作为先决条件损失硝酸浸出除沉积(50]。(综合评估中51),表明氮浸出是与生态系统干扰。然而,很难确定氮富集的宁静的森林,因为多余的氮量的几千克每公顷和年消散在大池中几吨/公顷。
虽然模型映射的临界荷载有其弱点(52),普遍超过数在奥地利和其他地方应该吸引更多的利益53]。全球变暖的延长生长季节和增加森林的生产力。因此,对氮的需求预计将增加。地区氮供应有限,预计“进步氮限制”(54,55]。因此,全球变暖可能减轻森林生态系统氮饱和的问题。
森林干扰增加,预计将有可能动员合理数量的N由我们的案例研究和其他地方(如图所示27]。不确定性的识别关键输入利率不能是一个理由忽视的挑战。从化学的角度从森林生态系统质量,重要的是要知道氮保留能力的极限。
5。结论
(我)在奥地利,土壤上形成非钙质基岩酸化恢复以前由于释放剥削形式的世纪期间森林管理和酸性沉积在最近的历史。(2)C: N奥地利森林土壤的比例不断扩大,尽管更高的可用性和氮周转更快。森林的更高的生产率和变更的管理强度增加氮的需求。(3)氮饱和概念上理解但很难确定情节在氮沉降水平大大超过临界载荷。(iv)氮预算密切监测的两块表明土壤能保留大量的氮,即使输入率超过植物的需求。硝酸浸出目前不是一个大规模的问题,但可能在未来成为一个当氮排放不减少。(v)中氮的供应是最主要的营养物质氮在奥地利的森林。(vi)苔藓是有用的大气氮沉降,适合作为集成几年的氮口供。氮浓度在定义良好的苔藓物种可以作为代理的氮沉降各自的增长领域。