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A critical appraisal of accumulative biomonitors to assess and to map sources and rates of atmospheric nitrogen deposition on different regional scales in Germany

Eine kritische Beurteilung der kumulativen Biomonitore bei der Bewertung und Abbildung von Quellen und Raten der atmosphärischen Stickstoffdeposition auf verschiedenen regionalen Skalen in Deutschland

  • Mankind has dramatically influenced the nitrogen (N) fluxes between soil, vegetation, water and atmosphere " the global N cycle. Increasing intensification of agricultural land use, caused by the growing demand for agricultural products, has had major impacts on ecosystems worldwide. Particularly nitrogenous gases such as ammonia (NH3) have increased mainly due to industrial livestock farming. Countries with high N deposition rates require a variety of deposition measurements and effective N monitoring networks to assess N loads. Due to high costs, current "conventional"-deposition measurement stations are not widespread and therefore provide only a patchy picture of the real extent of the prevailing N deposition status over large areas. One tool that allows quantification of the exposure and the effects of atmospheric N impacts on an ecosystem is the use of bioindicators. Due to their specific physiology and ecology, especially lichens and mosses are suitable to reflect the atmospheric N input at ecosystem level. The present doctoral project began by investigating the general ability of epiphytic lichens to qualify and quantify N deposition by analysing both lichens and total N and δ15N along a gradient of different N emission sources and severity. The results showed that this was a viable monitoring method, and a grid-based monitoring system with nitrophytic lichens was set up in the western part of Germany. Finally, a critical appraisal of three different monitoring techniques (lichens, mosses and tree bark) was carried out to compare them with national relevant N deposition assessment programmes. In total 1057 lichen samples, 348 tree bark samples, 153 moss samples and 24 deposition water samples, were analysed in this dissertation at different investigation scales in Germany.The study identified species-specific ability and tolerance of various epiphytic lichens to accumulate N. Samples of tree bark were also collected and N accumulation ability was detected in connection with the increased intensity of agriculture, and according to the presence of reduced N compounds (NHx) in the atmosphere. Nitrophytic lichens (Xanthoria parietina, Physcia spp.) have the strongest correlations with high agriculture-related N deposition. In addition, the main N sources were revealed with the help of δ15N values along a gradient of altitude and areas affected by different types of land use (NH3 density classes, livestock units and various deposition types). Furthermore, in the first nationwide survey of Germany to compare lichens, mosses and tree bark samples as biomonitors for N deposition, it was revealed that lichens are clearly the most meaningful monitor organisms in highly N affected regions. Additionally, the study shows that dealing with different biomonitors is a difficult task due to their variety of N responses. The specific receptor surfaces of the indicators and therefore their different strategies of N uptake are responsible for the tissue N concentration of each organism group. It was also shown that the δ15N values depend on their N origin and the specific N transformations in each organism system, so that a direct comparison between atmosphere and ecosystems is not possible.In conclusion, biomonitors, and especially epiphytic lichens may serve as possible alternatives to get a spatially representative picture of the N deposition conditions. Furthermore, bioindication with lichens is a cost-efficient alternative to physico-chemical measurements to comprehensively assess different prevailing N doses and sources of N pools on a regional scale. They can at least support on-site deposition instruments by qualification and quantification of N deposition.
  • Die Menschheit beeinflusst aktiv und nachdrücklich die Stickstoff (N) -flüsse zwischen Boden, Vegetation, Wasser und Atmosphäre - den globalen N-Kreislauf. Die zunehmende Intensivierung der landwirtschaftlichen Flächen, verursacht aufgrund der wachsenden Nachfrage nach Agrarprodukten, hat große negative Auswirkungen auf die Ökosysteme weltweit. Besonders stickstoffhaltige Gase wie Ammoniak (NH3) liegen aufgrund expandierter Massentierhaltung deutlich erhöht vor. Länder mit hohen N-Depositionsraten erfordern eine Vielzahl von Depositionsmessungen und effektive N-Depositionsmessnetze, um vorliegende N-Belastungen beurteilen zu können. Angesichts der hohen Kosten, sind die derzeitigen "konventionellen' Depositionsmessstationen nicht weit verbreitet und spiegeln daher nur ein unvollständiges Bild des realen Ausmaßes der vorherrschenden N-Depositionen über große Flächen wider. Eine Methode, die eine Quantifizierung der Aussetzung und zugleich der Auswirkung des atmosphärischen N-Einflusses in Ökosystemen zulässt, ist der Einsatz von Bioindikatoren. Aufgrund ihrer besonderen Physiologie und Ökologie eignen sich Flechten und Moose besonders gut um den atmosphärischen Stickstoffeintrag auf Ökosystemsebene anzuzeigen.Im vorliegenden Promotionsprojekt wurde zunächst untersucht, ob es generell möglich ist mit epiphytisch wachsenden Flechten und in ihnen ermittelten N-Gesamtgehalten und δ15N Signaturen im Gewebe, N-Depositionen entlang eines Gradienten von verschiedenen N-Emissionsquellen zu quantifizieren und zu qualifizieren. Mit Hilfe der gewonnen Ergebnisse konnte eine Monitoringmethode entwickelt werden, die in einem geeigneten flächenbasierten Raster und mit Hilfe von nitrophytischen Flechten in Deutschland umgesetzt wurde. Schließlich wurden drei verschiedene Monitoringsysteme (Flechten, Moose und Borke), unter Berücksichtigung von national relevanten N-Deposition-Assessment-Daten, angewendet und ihre Beurteilungskraft kritisch hinterfragt. Insgesamt wurden in der vorliegenden Dissertation 1057 Flechtenproben, 348 Borkenproben, 153 Moosproben und 24 Depositionswasserproben in unterschiedlich räumlich angeordneten Untersuchungsansätzen in Deutschland, berücksichtigt.Innerhalb der Studie konnte an unterschiedlichen epiphytischen Flechten art-spezifische Akkumulationsfähigkeit und Toleranz gegenüber N festgestellt werden. Auch mit Hilfe von N-Gehalten in Borkenproben konnte ein Zusammenhang zwischen intensiver landwirtschaftlichen Nutzung und den daraus resultierende N-Verbindungen in der Atmosphäre dargestellt werden. Die nitrophilen Flechtenarten (Xanthoria parietina, Physcia spp.) spiegeln, die durch intensive Landwirtschaft verursachten erhöhten N-Depositionen, am besten wider. Darüber hinaus konnten die vorherrschenden N-Quellen mit Hilfe der δ15N-Werte entlang eines Höhengradienten und durch verschiedene Landnutzungen gekennzeichnete Gebiete (NH3-Emissionsdichten, Großvieheinheiten und verschiedene Depositionstypen) ermittelt werden. Ein Vergleich mit modellbasierten N-Depositionskarten, konnte belegen, dass Flechten in der Lage sind ein ähnliches räumliches N-Depositionsmuster auf regionaler Ebene abzubilden. Zudem konnte der erste bundesweite Vergleich von drei unterschiedlichen Monitoringverfahren (Flechten-, Moos- u. Borkenmonitoring) in Deutschland zeigen, dass Flechten sowohl in stark als auch in gering belasteten Gebieten die aussagekräftigsten Monitororganismen bezüglich einer Beurteilung von N Deposition sind. Darüber hinaus zeigt die Studie, dass der Umgang mit verschiedenen Bioindikatoren aufgrund der unterschiedlichen N-Aufnahmestrategien keine leichte Aufgabe ist. Die spezifischen Rezeptor-Oberflächen der Bioindikatoren sind für den Gesamt-N-Gehalt der jeweiligen Organismusgruppe verantwortlich. Es hat sich auch gezeigt, dass die δ15N-Werte zum einen stark von der N Quelle und zum anderen von der spezifischen N-Umsetzung in jedem Organismussystem abhängig ist, so dass ein direkter Vergleich zwischen der Atmosphäre und Ökosystemen nicht möglich ist.Die vorliegende Arbeit zeigt, dass vor allem epiphytische Flechten eine Alternative zu herkömmlichen Monitoring-Stationen darstellen, um N-Depositionsbedingungen weiträumlich abzubilden. Zudem stellt ein Monitoringverfahren mit Flechten eine kostengünstige Alternative dar bezüglich Beurteilung und Einschätzung verschieden vorliegender N-Dosen und N-Quellen im regionalen Maßstab, im Vergleich zu "konventionellen"-Depositionsmessanlagen. Sie können Depositionsmessanlagen vor Ort zusätzlich unterstützen, durch Qualifizierung und Quantifizierung der jeweiligen N-Deposition.

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Metadaten
Author:Stefanie Helene Boltersdorf
URN:urn:nbn:de:hbz:385-8804
Advisor:Willy Werner
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2014/08/26
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2014/07/11
Release Date:2014/08/26
Tag:15N; Deutschland; Stabile Isotope; Stickstoffdeposition
Bioindication; Lichens; Mosses; Nitrogen Deposition; Stable Isotopes
GND Keyword:Bioindikation; Biomonitoring; Flechten; Moose; Umweltüberwachung
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 58 Pflanzen (Botanik) / 580 Pflanzen (Botanik)

$Rev: 13581 $