Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7381

Regionalisierung des Nitrataustrags aus Wäldern der Bundesrepublik Deutschland

Christoph Arthur Heinzeller

Zusammenfassung
Der Stickstoffkreislauf vieler temperater Wälder ist in den vergangenen Jahrzehnten nachhaltig durch einen hohen Eintrag von atmosphärischem Stickstoff (N) verändert worden. Gestiegener N-Eintrag kann zu einer Sättigung der Waldökosysteme führen. In diesem Zustand übersteigt das Angebot an Stickstoff die Fähigkeit der Pflanzen und Bodenmikroorganismen Stickstoff zu binden. Dieser Überschuss kann einen erhöhten Austrag in Form von N-Spurengasen (N₂O, NO) in die Atmosphäre und von Nitrat in die Hydrosphäre zur Folge haben. Letzteres wiederum kann auch zu einer Eutrophierung von aquatischen Ökosystemen und zur Belastung des Trinkwassers führen. Besonders in Deutschland ist dies von Bedeutung, da ein großer Anteil des Trinkwassers aus dem Grundwasser unter Waldgebieten gewonnen wird.

Um die gegenwärtigen Nitratausträge zu untersuchen und die Vorhersage zukünftiger Stickstoffverlust von Waldökosystemen zu prognostizieren, bietet sich der Einsatz von prozessorientierten Modellen an.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde deshalb das prozessorientierte Modell PnET-N-DNDC für die Vorhersage von Nitratausträgen aus Waldökosystemen Deutschlands weiterentwickelt und validiert. Durch diese Weiterentwicklung entstand das neue Forest-DNDC. Im Anschluss an die Weiterentwicklung wurden die biogeochemischen Prozesse, das Pflanzenwachstum und der Wasserhaushalts inklusive des Nitrattransports und des Nitrataustrags unterhalb der Wurzelzone an zahlreichen Standorten evaluiert und getestet. In einem nächsten Schritt wurde das Model mit einer GIS-Datenbank gekoppelt, welche auf regionaler Ebene die Informationen für die Initialisierung und den Antrieb des Models zur Berechnung von ökosystemaren Stickstoffverlusten (N-Spurengase, Nitrataustrag) aus Wäldern der Bundesrepublik Deutschland vorhält. Abschließend wurden umfangreiche Sensitivitätsanalysen sowie Szenarien (Einfluss von Klimaveränderung und N-Deposition) auf lokaler und regionaler Ebene durchgeführt.

Modelltests zeigen beispielsweise, dass der mittleren gemessenen Bodenwassergehalte an allen Standorten und Tiefen (bis max. 140 cm) mit einer Varianz von 60% erklärt wird. Die Validierung der Sickerwassermenge (mm a^-1) an 252 Standorte und Jahren ergab ein R² von 0.6. Ein Vergleich der simulierten Nitratausträge mit den abgeschätzten (Chlorid-Massen-Bilanz) Nitratausträgen an 44 von 48 Level-II-Standorten ergab ein R² von 0.51 und für 41 der 48 Standorte ein R² von 0.71. Im Rahmen von einer regionalen Sensitivitätsstudie, welche 1000 zufällig ausgesuchte Standorte berücksichtigt, konnte gezeigt werden, dass der Niederschlag der für den Nitrataustrag sensitivste Parameter ist, gefolgt von der Deposition, dem pH-Wert, dem organischen Kohlenstoffgehalt und der Textur.

Die mittleren täglichen N₂O-Emissionen an Standorten des NOFRETETE-Projekts unterschätzte das Forest-DNDC um 39%, die der NO-Emissionen um 26%.

Bei regionaler Anwendung des Modells auf die gesamten Waldgebiete Deutschlands ergibt sich für das Jahr 2000 ein mittlerer Nitrataustrag von 4.5 kg N ha^-1 a^-1. Die mittleren N₂O-Emissionen belaufen sich auf 1.1 kg N ha^-1 a^-1 und die NO-Emissionen auf 0.7 kg N ha^-1 a^-1.

Ein Vergleich von regionalen Simulationen des Nitrataustrags an Bayerischen Waldstandorten (n = 5112) mit den Ergebnissen der „Nitratinventur“ (NI) (n = 373), ergab eine gute Übereinstimmung bei den verschiedenen Nitrataustragsklassen (0-5, 5-15, >15 kg N ha^-1 a^-1). 66% der im Rahmen der NI untersuchten Standorte hatten einen Nitrataustrag von 0-5 kg N ha^-1 a^-1. Das Forest-DNDC berechnete für ca. 70% der Standorte einen Austrag von 0-5 kg N ha^-1 a^-1. Sowohl die NI als auch das Modell hatten einen Anteil von 20% ihrer Standorte in der Klasse von 5-15 kg N ha^-1 a^-1Nitrataustrag in einer Höhe über 15 kg N ha^-1 a^-1 wurde im Rahmen der NI an 14% der Standorte gemessen und vom Model für 6% der Standorte simuliert.

Szenarien zur Auswirkung möglicher Klimaveränderung auf die N-Austräge auf Basis von Klimadaten für die Jahre 1991-1999 sowie 2031-2039 ergaben, dass sich der Nitrataustrag aus Waldgebieten Deutschlands im Mittel um ca. -23% verringert wohingegen die N₂O-Emissionen im Mittel um 21% und die NO-Emissionen um 13% steigen werden.

Regionalisation of nitrate leaching from forests in Germany

Abstract
Temperate forest ecosystems and their N-cycle have been strongly influenced by increased atmospheric N-inputs in the last decades. Increased and prolonged atmospheric N-input can lead to saturation of N in naturally N-limited forest ecosystems. In the status of saturation the supply of nitrogen exceeds the capability of plants and soil-microorganisms to compensate or absorb for this macro nutrient, with the consequence of increased ecosystem N-losses in form of environmental important N-trace gases (N₂O, NO) to the atmosphere and/or nitrate to the hydrosphere. The latter playing a key role in eutrophication of aquatic systems as well as a pollutant in the context of drinking water quality. This is especially true for Germany since the predominant part of drinking water is gained from groundwater under forests.

In this thesis, the process oriented model PnET-N-DNDC was further developed and validated to allowing the prediction of nitrate-leaching from forest ecosystems in Germany. By improving the PnET-N-DNDC (Photosynthesis-Evapotranspiration-Nitrification-Denitrifcation-Decomposition-Modell) a new model version, the Forest-DNDC, was developed. Afterwards the model was evaluated on a large number of sites by simulating and testing the soil biogeochemical processes, the plant growth and the water balance including associated matter fluxes of nitrate out of the rooting zone. In a next step, the model was coupled with a GIS-database holding the relevant information for initialising and driving the model on a regional scale in order to calculate ecosystem N-losses (N-trace gases and N leaching) from forests in Germany. Finally, extensive sensitivity-analysis and scenarios (influence of climate change and N-deposition on nitrateleaching) on plot and regional scale were accomplished.

Model testing e.g. showed that the average measured soil water content on all sites and depths (max. 140 cm) matched the observations with a variance of 60%. The validation of seepage water (mm a^-1) from 252 sites and years, produced a R² of 0.6. A comparison of simulated nitrate leaching (kg N ha^-1 a^-1) with the estimated (Chlorid-Mass-Balance) nitrate leaching on 48 Level-IIsites showed for 44 of 48 plots an R² of 0.51 and for 41 of 48 sites an R² of 0.71. In the frame of a regional sensitivity study using 1000 randomly selected plots could be shown that precipitation is the most sensitive parameter for predicting nitrate leaching, followed by N deposition and the pH-Value, the organic carbon content and the soil texture.

Forest-DNDC underestimated the average measured daily N-trace gas emissions at the sites of the NOFRETETE-project by 39% for the N₂O-emissions and by 26% for the NO-emissions. Applying the model GIS framework on forests ecosystems of entire Germany resulted in an average nitrate leaching of 4.5 kg N ha^-1 a^-1. Simulation for N trace gases revealed average losses of 1.1 kg N₂O-N ha^-1 a^-1 and 0.7 kg NO-N ha^-1 a^-1.

A comparison of the regional simulations of nitrate leaching for Bavarian forests (n = 5112) with the results of the “Nitrat-Inventur” (NI) (n = 373) showed a good agreement for the different categories of nitrate-leaching (0-5, 5-15, >15 kg N ha^-1 a^-1). 66% of the plots which were examined in the NI had an amount of 0-5 kg N ha^-1 a^-1 of leached nitrate, whereas the Forest-DNDC simulated for 74% of the plots an amount of 0-5 kg N ha^-1 a^-1. Both the NI and the model had 20% of the plots in the range of 5-15 kg N ha^-1 a^-1. Nitrate leaching above 15 kg N ha^-1 a^-1 occurred on 14% of the NI plots and on 6% of the simulated plots.The impact of climate change on ecosystem N losses from German forests were based on a comparison of the actual climate (1991-1999) and the predicted climate conditions for the year 2031-2039. The results showed that nitrate leaching from forest ecosystems in Germany will decrease by approximately 23% whereas N₂O-emissions from forest ecosystems will increase by 21% and the NO-emissions by approx. 13%.

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