Nitrogen isotopes in atmospheric deposition in Northern Germany : consequences of emission changes

Abstract

The input of reactive nitrogen by atmospheric deposition is a key process of the nitrogen cycle which leads to a nutrient input worldwide. Based on the emission of ammonia (NH3) and nitrogen oxide (NOX) by anthropogenic sources, the N deposition loads increased considerably on a global level compared to preindustrial times causing eutrophication and acidification phenomena in ecosystem. To mitigate these effects emissions of air pollutants were reduced in Central Europe and other developed regions leading to a decrease of N deposition load and its composition with respect to sources of nitrogen. In this thesis N isotopic ratios in atmospheric deposition clarify that differences in N isotopes on a temporal and spatial dimension are caused by emission changes of N sources and the different spatial impact of those sources. Furthermore the impact of atmospheric N inputs on the growth of Sphagnum biomass in a raised peat bog was identified by analysing N isotopes In the context of the overall decrease of NOX and NH3 emissions in Central Europe, a comparative study was conducted comparing historical N deposition loads and N isotopes from the 1980s with present-day situation (chapter 2). Dry and wet deposition of NO3-, NH4+ and N isotopes of NO3- were sampled at the medium polluted study site Geesthacht in Northern Germany. Results indicated lower NO3- loads and higher N isotopes compared to historical values in deposited NO3-. Since NOX sources emit N isotopes specifically, it was expected that isotope values decreased due to the change of NOX emissions. The cause for higher values was the implementation of catalytic converters in traffic engines and in power plants, which led to a positive shift of emitting isotope ranges of these NOX sources. The main objective of chapter 3 was to explore the influence of reactive nitrogen pollution level in the air on the N deposition fluxes. NO3- and NH4+ deposition loads and the N isotopes of NO3- were investigated at differently affected sites. The study was conducted by using the same sampling procedure as in chapter 2 at the less polluted coastal site in List on the island Sylt and at the more polluted site in Geesthacht. As expected a higher N deposition load was observed at the site in Geesthacht, which can be attributed to a higher influence of agricultural activity resulting in higher NH4+ deposition loads. In contrast, higher NO3- loads and higher N isotopes were observed in wet and dry deposition at the coastal site. These results reveal that the impact of sea-salt aerosols and NOX emissions by ships is higher at the coastal site. The influence of nutrient input by atmospheric deposition on the biomass growth of Sphagnum species in an ombrotrophic peat bog were investigated in chapter 4. In order to look into the nutrient requirements of Sphagnum mosses, N concentrations and N isotopes of three compartments were sampled: atmospherically deposited NO3- and NH4+, the biomass of dominating Sphagnum species and the pore water of those plants. Overall higher N isotope values were observed in atmospheric deposition than in the biomass of Sphagnum mosses and their pore water. The main finding was that directly atmospheric N inputs are not responsible for the biomass growth. In fact, recycled N which mainly originates of remineralization processes ensures the nutrient supply for mosses.

Der Eintrag von reaktivem Stickstoff über atmosphärische Deposition ist ein Schlüsselprozess im Stickstoffkreislauf, der überall auf der Welt zu einem Nährstoffeintrag führt. Aufgrund der Emissionen von Stickoxiden (NOX) und Ammoniak (NH3) von anthropogenen Quellen hat die Deposition von reaktivem Stickstoff im Vergleich zu vorindustriellen Zeiten deutlich zugenommen. Dies führte zu Eutrophierung von Ökosystemen und Versauerung von Böden. Um diese Phänomene zu mindern, wurden in Europa und anderen hochentwickelten Regionen die Emissionen reduziert; folglich kam es zu einer Verringerung der atmosphärischen Stickstoffdeposition und zu einer Veränderung der quellenspezifischen Zusammensetzung. In dieser Arbeit wurde mit Hilfe von Isotopenverhältnissen des Stickstoffs in atmosphärischer Deposition gezeigt, dass zeitliche und räumliche Unterschiede in der N-Isotopie auf Veränderungen der Emissionen von N-Quellen und der unterschiedliche räumliche Wirkung dieser Quellen zurückzuführen sind. Zusätzlich konnte mit Isotopenuntersuchungen geklärt werden, inwieweit der atmosphärische N-Eintrag verantwortlich für das Biomassenwachstum in einem Hochmoor ist. In Kapitel 2 wurde ein Vergleich von Depositionsdaten (Gehalte und Isotope) aus den 1980er Jahren mit der heutigen Situation vor dem Hintergrund der generellen Reduzierung der NOX-und NH3-Emissionen durchgeführt. Hierzu wurden Nass- und Trockendeposition auf NO3--und NH4+-Gehalte und N-Isotope von NO3- an dem durchschnittlich belasteten Standort Geesthacht in Norddeutschland gemessen. Die Ergebnisse ergaben im Vergleich zu den historischen Werten einen deutlich geringeren Nitratgehalt und höhere N-Isotope im deponierten Nitrat. Da NOX-Quellen N-isotopenspezifisch emittieren, war heutzutage aufgrund des Emissionsrückgangs ein geringerer Isotopenwert zu erwarten. Die überraschend höheren Isotopenwerte können auf eine positive Verschiebung des Isotopenbereichs von Kraftwerken und Verkehr hindeuten, welcher durch den Einsatz von Katalysatoren zustande gekommen ist. In Kapitel 3 wurde der Einfluss der Schadstoffbelastung von reaktivem Stickstoff in der Atmosphäre an unterschiedlich beeinflussten Orten auf die N-Deposition und N-Isotope in deponiertem Nitrat betrachtet. Hierzu wurden die Messwerte von zwei Standorten miteinander verglichen, die am geringer belasteten Küstenstandort List auf Sylt und die am höher belasteten Standort Geesthacht. Es wurde wie in Kapitel 2 Nass- und Trockendeposition gemessen. Wie erwartet wurde insgesamt eine höhere N-Deposition mit höheren NH4+ Gehalten am Standort Geesthacht festgestellt, was aus höheren Aktivitäten aus der Landwirtschaft resultiert. Im Gegensatz dazu wurden höhere Nitrat-Gehalte und höhere N-Isotope in Nass- und Trockendeposition am Küstenstandort List ermittelt. Diese Ergebnisse können durch den höheren Einfluss von Seesalz-Aerosolen und Schiffsemissionen am Küstenstandort erklärt werden. Die Beeinflussung des Biomassenwachstums von Sphagnum Moosen in einem Hochmoor durch den Nährstoffeintrag aus der Atmosphäre wurde in Kapitel 4 diskutiert. Dazu wurden N Gehalte und N-Isotope von deponiertem Nitrat und Ammonium von den zwei dominierenden Sphagnum Moosen und vom Porenwasser der Moose untersucht. Die Ergebnisse ergaben insgesamt höhere N-Isotopenwerte in atmosphärischer Deposition als in der Biomasse der Sphagnum Pflanzen und deren Porenwasser. Für das Wachstum der Moose wird also nicht der Stickstoff aus der Deposition genutzt, sondern recycelter Stickstoff innerhalb des Ökosystems stellt den Nährstoffbedarf der Moose sicher. Der Prozess der Remineralisierung stellt hierbei die Hauptquelle des genutzten Stickstoffs dar.