Auswirkung und Dynamik von Stickstoffzufuhr in Seeökosystemen
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden die Auswirkungen und Dynamik von Stickstoffeinträgen in Seeökosysteme in einem dreistufigen Ansatz in drei süddeutschen Seen umfassend untersucht. Dabei wurden Erkenntnisse zur Größenordnung atmosphärischen Stickstoffeintrags in die Seen gewonnen, dessen Auswirkungen auf Veränderungen der phosphorlimitierten Planktonsysteme abgeschätzt, sowie das Ausmaß des Stickstoffeintrags des vergangenen Jahrhunderts in die Seen bestimmt. Die Analyse von Sedimentkernen zeigte in zwei von drei Seen einen Anstieg im Stickstoffgehalt in den vergangenen 40-140 Jahren. Ein parallel verlaufender Anstieg des stabilen Stickstoffisotopensignals belegt eine Anreicherung von schweren Stickstoffisotopen, welche auf kontinuierliche Stickstoffnutzung von externen isotopisch schweren Stickstoffquellen z.B. Abwässern hindeutet. In den Sedimentkernen konnten zudem Perioden erhöhter Produktivität festgestellt werden. Der durchschnittliche Stickstoffeintrag, der die Seen über Niederschläge direkt beeinflusst, lag in den Jahren 2012 – 2015 bei 29.5 mg/m² pro Woche (15.4 kg N/ha pro Jahr), mit hohen Schwankungen im Jahresverlauf und Spitzenwerten von bis zu 80 mg/m² pro Woche. Der gelöste Stickstoffeintrag über Niederschlag bestand im Mittel zu dreiviertel aus Nitrat und zu einem Viertel aus Ammoniumverbindungen. Dabei korrelierte der Ammoniumgehalt des Niederschlags signifikant mit dem des Oberflächenwassers eines Sees, was auf einen bedeutenden Einfluss auf die zugrundeliegenden Nährstoffbedingungen für Planktongemeinschaften hinweist. Die Auswirkungen erhöhten Stickstoffeintrages und veränderter Zusammensetzung der Stickstoffressourcen (Nitrat zu Ammonium Verhältnis) wurden in drei großen Mesokosmenexperimenten an drei Seen untersucht, welche durch verschiedene Stickstoff zu Phosphor Verhältnisse und unterschiedliche Planktongemeinschaften charakterisiert sind. Dabei zeigte sich unter erhöhtem Stickstoffeintrag, dass die elementare Zusammensetzung des Sestons sich zum Teil den veränderten Stickstoff zu Phosphor Verhältnissen anpasste, was jedoch höchst see- und wachstumsphasenabhängig ausgeprägt war. Die Biomasse des Phytoplanktons wurde durch Prozesse der Nährstoffverfügbarkeit (bottom-up) als auch über die Nahrungskette (top-down) der vorliegenden Phytoplankton – Zooplankton – Interaktion reguliert. Dabei stieg tendenziell der Anteil der Grünalgen und Chrysophyten mit der Ammoniumzufuhr an und es wurde eine Veränderung der Artenzusammensetzung festgestellt. Diese war besonders ausgeprägt bei einer Stickstoffzufuhr mit geringerem Nitrat zu Ammonium Verhältnis. In Bezug auf die höhere trophische Ebene des Zooplanktons, wurde seeübergreifend eine Abnahme der Zooplanktondichten mit steigendem Stickstoffeintrag festgestellt. Diese betraf in erster Linie die taxonomische Gruppe der Cladoceren und Naupliuslarven, welche ähnliche Futterspektren und Phosphoransprüche aufweisen. Der umfassende Ansatz des Projekts erlaubte eine Abschätzung des Verbleibs von überschüssigem Stickstoff in den untersuchten Seen. Dabei wurde festgestellt, dass trotz relativen Stickstoffüberschusses die bis zu 4,5-fache Menge des ursprünglich vorhandenen Ammonium aufgenommen und somit in Phytoplankton oder bakterielle Biomasse umgewandelt werden kann. Nitrat wurde im Gegensatz zu Ammonium nicht vermehrt aufgenommen und blieb immer im Überschuss in gelöster Form vorhanden. Über die Assimilation des Stickstoffs in Biomasse, dessen gemessene Sedimentationsraten und sedimentäre Akkumulation wurde abgeschätzt, dass im Fall des untersuchten oligotrophen Sees 0,34% der jährlichen Stickstoffdeposition über Niederschläge bis in Seesedimente übertragen werden können. Diese Abschätzung betrifft demnach auch urban und landwirtschaftlich entfernt gelegene Seen, die von atmosphärisch verbreitetem Stickstoff somit ebenso nachhaltig betroffen wären. Aufgrund regen öffentlichen Interesses wurde die wichtige Thematik und deren potentiellen Auswirkungen bereits in öffentlichen Medien (u.a. TV) erwähnt. Die durchgeführte Studie zeigt, dass zusätzlich eingetragener Stickstoff auch Auswirkungen auf phosphorlimitierte Ökosysteme haben und die Artenzusammensetzung von Primärproduzenten und Konsumenten durch unterschiedliche Stickstoffressourcennutzung und erhöhte Nährstofflimitation durch Phosphor beeinflussen kann. Dabei können unteranderem ein Anstieg von Phytoplankton und eine Abnahme von Zooplanktonbiomasse auftreten, welche die Dynamik in Nahrungsnetzen nachhaltig verändern kann.
Publications
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The effect of increased atmospheric nitrogen load on phytoplankton in a phosphorus-limited lake. Freshwater Biology, 61,11, November 2016, Pages 1966-1980
Poxleitner, M., G. Trommer, Lorenz, P., H. Stibor
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Altered food-web dynamics under increased nitrogen load in phosphorus deficient lakes. Aquatic Sciences, October 2017, Volume 79, Issue 4, pp 1009–1021
Trommer, G., M. Poxleitner, P. Lorenz, E. Bitzilekis, A. Gogaladze, S. Schultes, H. Stibor
