Borken, W; Matzner, E: Nitrate leaching in forest soils: an analysis of long-term monitoring sites in Germany, Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 167, 277-283 (2004), doi:10.1002/jpln.200421354
Abstract:
Keywords nitrate leaching • N input • N output • N saturation • forest soils • O horizon Abstract Elevated atmospheric inputs of NH4+ and NO3- have caused N saturation of many forest ecosystems in Central Europe, but the fate of deposited N that is not bounded by trees remains largely unknown. It is expected that an increase of NO3- leaching from forest soils may harm the quality of groundwater in many regions. The objective of this study was to analyze the input and output of NH4+ and NO3- at 57 sites with mature forest stands in Germany. These long-term study sites are part of the European Level II program and comprise 17 beech, 14 spruce, 17 pine, and 9 oak stands. The chloride balance method was used to calculate seepage fluxes and inorganic N leaching below the rooting zone for the period from 1996 to 2001. Nitrogen input by throughfall was significantly different among most forest types, and was in the order: spruce > beech/oak > pine. These differences can be largely explained by the amount of precipitation and, thus, it mirrors the regional and climatic distribution of these forest types in Germany. Mean long-term N output with seepage was log-normal distributed, and ranged between 0 and 26.5 kg N ha-1 yr-1, whereby 29 % of the sites released more than 5 kg N ha-1 yr -1. Leaching of inorganic N was only significantly lower in the pine stands (P < 0.05) compared with leaching rates of the spruce stands. Median N output : input ratio ranged between 0.04 and 0.11 for the beech, oak, and pine stands, while the input : output ratio of the spruce stands was 0.24, suggesting a higher risk of NO3- leaching in spruce forests. Following log-transformation of the data, N input explained 38 % of the variance in N output. The stratification of the data by the C : N ratio of the O horizon or the top mineral soil revealed that forests soils with a C : N ratio < 25 released significantly more NO3- (median of 4.6 kg N ha-1 yr-1) than forests with a C : N ratio > 25 (median of 0.8 kg N ha-1 yr-1). The stratification improved the correlation between N input and N output for sites with C : N ratios < 25 (r2 = 0.47) while the correlation for sites with C : N ratios > 25 was weaker (r = 0.21) compared with the complete data set. Our results suggest that NO3- leaching may increase in soils with wide C : N ratios when N deposition remains on a high level and that the potential to store inorganic N decreases with C : N ratios in the O horizons becoming more narrow. Translated Abstract Nitratauswaschung aus Waldböden: eine Analyse von Dauerbeobachtungsflächen in Deutschland Erhöhte NH4+- und NO3--Einträge haben zu einer N-Sättigung vieler Wälder in Mitteleuropa geführt. Der Verbleib des deponierten Stickstoffs, der nicht in den Bäumen gebunden ist, ist jedoch weitgehend unbekannt. Es wird angenommen, dass ein Anstieg der NO3--Auswaschung aus Waldböden die Grundwasserqualität in vielen Regionen gefährdet. In dieser Studie wurden die Eintrags- und Austragsraten von NH4+ und NO3- von 57 Waldflächen in Deutschland analysiert. Diese Dauerbeobachtungsflächen sind Teil des europäischen Level-II-Programms und setzen sich aus 17 Buchen-, 14 Fichten-, 17 Kiefern- und 9 Eichenbeständen zusammen. Die Cl--Bilanz-Methode wurde angewandt, um die Sickerwassermengen unterhalb des Wurzelraumes für die Periode von 1996 bis 2001 zu berechnen. Die N-Einträge waren in vielen Waldtypen signifikant unterschiedlich und zeigten folgende Ordnung: Fichte > Buche/Eiche > Kiefer. Diese Unterschiede können weitgehend mit der Niederschlagsmenge erklärt werden und spiegeln somit die regionale und klimatische Verteilung dieser Waldtypen in Deutschland wider. Der mittlere, langjährige N-Austrag war log-normal verteilt and variierte zwischen 0 und 26,5 kg N ha-1 a-1, wobei 29 % der Flächen mehr als 5 kg N ha-1 a-1 freisetzten. Nur die Kiefernbestände wiesen eine signifikant (P < 0,05) geringere NO3--Auswaschung auf als die Fichtenbestände. Der Median des Verhältnisses N-Austrag : N-Eintrag lag zwischen 0,04 und 0,11 für die Buchen-, Eichen- bzw. Kiefernbestände, während die Fichtenbestände ein Verhältnis von 0,24 aufwiesen und damit ein höheres Risiko der NO3--Auswaschung darstellen. Nach Logarithmierung der Daten konnte der N-Eintrag zu 38 % die Varianz der N-Austräge erklären. Die Stratifizierung der Daten nach dem C:N-Verhältnis der Humusauflage oder dem obersten Mineralboden ergab, dass Waldböden mit einem C:N-Verhältnis < 25 (Median von 4,6 kg N ha-1 a-1) signifikant mehr NO3- freisetzten als Wälder mit einem C:N-Verhältnis > 25 (Median von 0,8 kg N ha-1 a-1). Im Vergleich zu dem gesamten Datensatz verbesserte die Stratifizierung der Daten nur die Beziehung zwischen N-Eintrag und N-Austrag für Flächen mit einem C:N-Verhältnis < 25 (r2 = 0,47) während die Beziehung für Flächen mit einem C:N-Verhältnis > 25 schwächer (r = 0,21) war. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die NO3--Auswaschung in deutschen Wäldern mit weiten C:N-Verhältnissen in der Humusauflage zunehmen kann, sofern die N-Deposition auf einem hohen Niveau verbleibt. Ferner kann das Potenzial der Wälder, anorganischen N zu speichern, mit enger werdenden C:N-Verhältnissen in den Humusauflagen abnehmen.
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