Export of organic matter, sulphate and base cations from boreal headwater catchments downstream to the coast: impacts of land use and climate

The terrestrial export of dissolved organic matter (DOM) is associated with climate, vegetation and land use, and thus is under the influence of climatic variability and human interference with terrestrial ecosystems, their soils and hydrological cycles. The present study provides an assessment of spatial variation of DOM concentrations and export, and interactions between DOM, catchment characteristics, land use and climatic factors in boreal catchments. The influence of catchment characteristics, land use and climatic drivers on the concentrations and export of total organic carbon (TOC), total organic nitrogen (TON) and dissolved organic phosphorus (DOP) was estimated using stream water quality, forest inventory and climatic data from 42 Finnish pristine forested headwater catchments, and water quality monitoring, GIS land use, forest inventory and climatic data from the 36 main Finnish rivers (and their sub-catchments) flowing to the Baltic Sea. Moreover, the export of DOM in relation to land use along a European climatic gradient was studied using river water quality and land use data from four European areas. Additionally, the role of organic and minerogenic acidity in controlling pH levels in Finnish rivers and pristine streams was studied by measuring organic anion, sulphate (SO4) and base cation (Ca, Mg, K and Na) concentrations. In all study catchments, TOC was a major fraction of DOM, with much lower proportions of TON and DOP. Moreover, most of TOC and TON was in a dissolved form. The correlation between TOC and TON concentrations was strong and TOC concentrations explained 78% of the variation in TON concentrations in pristine headwater streams. In a subgroup of 20 headwater catchments with similar climatic conditions and low N deposition in eastern Finland, the proportion of peatlands in the catchment and the proportion of Norway spruce (Picea abies Karsten) of the tree stand had the strongest correlation with the TOC and TON concentrations and export. In Finnish river basins, TOC export increased with the increasing proportion of peatland in the catchment, whereas TON export increased with increasing extent of agricultural land. The highest DOP concentrations and export were recorded in river basins with a high extent of agricultural land and urban areas, reflecting the influence of human impact on DOP loads. However, the most important predictor for TOC, TON and DOP export in Finnish rivers was the proportion of upstream lakes in the catchment. The higher the upstream lake percentage, the lower the export indicating organic matter retention in lakes. Molar TOC:TON ratio decreased from headwater catchments covered by forests and peatlands to the large river basins with mixed land use, emphasising the effect of the land use gradient on the stoichiometry of rivers. This study also demonstrated that the land use of the catchments is related to both organic and minerogenic acidity in rivers and pristine headwater streams. Organic anion dominated in rivers and streams situated in northern Finland, reflecting the higher extent of peatlands in these areas, whereas SO4 dominated in southern Finland and on western coastal areas, where the extent of fertile areas, agricultural land, urban areas, acid sulphate soils, and sulphate deposition is highest. High TOC concentrations decreased pH values in the stream and river water, whereas no correlation between SO4 concentrations and pH was observed. This underlines the importance of organic acids in controlling pH levels in Finnish pristine headwater streams and main rivers. High SO4 concentrations were associated with high base cation concentrations and fertile areas, which buffered the effects of SO4 on pH.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Results from the Covered Catchment Experiment at Gårdsjön, Sweden, after ten years of clean precipitation treatment

The Covered Catchment Experiment at Gordsjon is a large scale forest ecosystem manipulation, where acid precipitation was intercepted by a 7000 m(2) plastic roof and replaced by 'clean precipitation' sprinkled below the roof for ten years between 1991 and 2001. The treatment resulted in a strong positive response of runoff quality. The runoff sulphate, inorganic aluminium and base cations decreased, while there was a strong increase in runoff ANC and a moderate increase in pH. The runoff continued to improve over the whole duration of the experiment. The achieved quality was, however, after ten years still considerably worse than estimated pre-industrial runoff at the site. Stable isotopes of sulphur were analysed to study the soil sulphur cycling. At the initial years of the experiment, the desorption of SO4 from the mineral soil appeared to control the runoff SO4 concentration. However, as the experiment proceeded, there was growing evidence that net mineralisation of soil organic sulphur in the humus layer was an additional source of SO4 in runoff. This might provide a challenge to current acidification models. The experiment convincingly demonstrated on a catchment scale, that reduction in acid deposition causes an immediate improvement of surface water quality even at heavily acidified sites. The improvement of the runoff appeared to be largely a result of cation exchange processes in the soil due to decreasing concentrations of the soil solution, while any potential change in soil base saturation seemed to be less important for the runoff chemistry over the short time period of one decade. These findings should be considered when interpreting and extrapolating regional trends in surface water chemistry to the terrestrial parts of ecosystems.

Buffering of recovery from acidification by organic acids

In the United Kingdom, as in other regions of Europe and North America, recent decreases in surface water sulphate concentrations, due to reduced sulphur emissions, have coincided with marked increases in dissolved organic carbon (DOC) concentrations. Since many of the compounds comprising DOC are acidic, the resulting increases in organic acidity may have the potential to offset the benefits of a decrease in mineral (sulphate) acidity. To test this, we used a triprotic model of organic acid dissociation to estimate the proportional organic acid buffering of reduced mineral acidity as measured in the 22 lakes and streams monitored by the UK Acid Waters Monitoring Network. For an average non-marine sulphate decrease of 30 μeq l− 1 over 15 years from 1988–2003, we estimate that around 28% was counterbalanced by rising strong organic acids, 20% by rising alkalinity (partly attributable to an increase in weak organic acids), 11% by falling inorganic aluminium and 41% by falling non-marine base cations. The situation is complicated by a concurrent decrease in marine ion concentrations, and the impact this may have had on both DOC and acidity, but results clearly demonstrate that organic acid increases have substantially limited the amount of recovery from acidification (in terms of rising alkalinity and falling aluminium) that have resulted from reducing sulphur emissions. The consistency and magnitude of sulphate and organic acid changes are consistent with a causal link between the two, possibly due to the effects of changing acidity, ionic strength and aluminium concentrations on organic matter solubility. If this is the case, then organic acids can be considered effective but partial buffers to acidity change in organic soils, and this mechanism needs to be considered in assessing and modelling recovery from acidification, and in defining realistic reference conditions. However, large spatial variations in the relative magnitude of organic acid and sulphate changes, notably for low-deposition sites in northwestern areas where organic acid increases apparently exceed non-marine sulphate decreases, suggest that additional factors, such as changes in sea-salt deposition and climatic factors, may be required to explain the full magnitude of DOC increases in UK surface waters.

The effects of a changing pollution climate on throughfall deposition and cycling in a forested area in southern England

This study compares two sets of measurements of the composition of bulk precipitation and throughfall at a site in southern England with a 20-year gap between them. During this time, SO2 emissions from the UK fell by 82%, NOx emissions by 35% and NH3 emissions by 7%. These reductions were partly reflected in bulk precipitation, with deposition reductions of 56% in SO4,38% in NO3, 32% in NH4, and 73% in H+. In throughfall under Scots pine, the effects were more dramatic, with an 89% reduction in SO4 deposition and a 98% reduction in H+ deposition. The mean pH under these trees increased from 2.85 to 4.30. Nitrate and ammonium deposition in throughfall increased slightly, however. In the earlier period, the Scots pines were unable to neutralise the high flux of acidity associated with sulphur deposition, even though this was not a highly polluted part of the UK, and deciduous trees (oak and birch) were only able to neutralise it in summer when the leaves were present. In the later period, the sulphur flux had reduced to the point where the acidity could be neutralised by all species — the neutralisation mechanism is thus likely to be largely leaching of base cations and buffering substances from the foliage. The high fluxes are partly due to the fact that these are 60–80 year old trees growing in an open forest structure. The increase in NO3 and NH4 in throughfall in spite of decreased deposition seems likely due to a decrease in foliar uptake, perhaps due to the increasing nitrogen saturation of the catchment soils. These changes may increase the rate of soil microbial activity as nitrogen increases and acidity declines, with consequent effects on water quality of the catchment drainage stream.

Nitrate role in basic cation leaching under no-till

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Soil Chemical Response to Experimental Acidification Treatments

One of the conclusions reached during the Congressionally mandated National Acid Precipitation Program (NAPAP) was that, compared to ozone and other stress factors, the direct effects of acidic deposition on forest health and productivity were likely to be relatively minor. However, the report also concluded “the possibility of long-term (several decades) adverse effects on some soils appears realistic” (Barnard et al. 1990). Possible mechanisms for these long-term effects include: (1) accelerated leaching of base cations from soils and foliage, (2) increased mobilization of aluminum (Al) and other metals such as manganese (Mn), (3) inhibition of soil biological processes, including organic matter decomposition, and (4) increased bioavailability of nitrogen (N).

Factors Influencing Spatial Variability in Nitrogen Processing in Nitrogen-Saturated Soils

Nitrogen (N) saturation is an environmental concern for forests in the eastern U.S. Although several watersheds of the Fernow Experimental Forest (FEF), West Virginia exhibit symptoms of Nsaturation, many watersheds display a high degree of spatial variability in soil N processing. This study examined the effects of temperature on net N mineralization and nitrification in N-saturatedsoils from FEF, and how these effects varied between high N-processing vs. low N-processingsoils collected from two watersheds, WS3 (fertilized with [NH4]2SO4) and WS4 (untreated control). Samples of forest floor material (O2 horizon) and mineral soil (to a 5-cm depth) were taken from three subplots within each of four plots that represented the extremes of highest and lowest ratesof net N mineralization and nitrification (hereafter, high N and low N, respectively) of untreated WS4 and N-treated WS3: control/low N, control/high N, N-treated/low N, N-treated/high N. Forest floor material was analyzed for carbon (C), lignin,and N. Subsamples of mineral soil were extractedimmediately with 1 N KCl and analyzed for NH4+and NO3– to determine preincubation levels. Extracts were also analyzed for Mg, Ca, Al, and pH. To test the hypothesis that the lack of net nitrification observed in field incubations on the untreated/low N plot was the result of absence ofnitrifier populations, we characterized the bacterial community involved in N cycling by amplification of amoA genes. Remaining soil was incubated for 28 d at three temperatures (10, 20, and30°C), followed by 1 N KCl extraction and analysis for NH4+ and NO3–. Net nitrification was essentially 100% of net N mineralization for all samples combined. Nitrification rates from lab incubation sat all temperatures supported earlier observations based on field incubations. At 30°C, rates from N- t reated/high N were three times those of N-treated/low N. Highest rates were found for untreated/high N (two times greater than those of N-treated/high N), whereas untreated/low N exhibited no net nitrification. However, soils exhibitingno net nitrification tested positive for presence of nitrifying bacteria, causing us to reject our initial hypothesis. We hypothesize that nitrifier populations in such soil are being inhibited by a combination of low Ca:Al ratios in mineral soil and allelopathic interactions with mycorrhizae of ericaceous species in the herbaceous layer.

Effects of Silvicultural Practices on Soil Carbon and Nitrogen in a Nitrogen Saturated Central Appalachian (USA) Hardwood Forest Ecosystem

Silvicultural treatments represent disturbances to forest ecosystems often resulting in transient increases in net nitrification and leaching of nitrate and base cations from the soil. Response of soil carbon (C) is more complex, decreasing from enhanced soil respiration and increasing from enhanced postharvest inputs of detritus. Because nitrogen (N) saturation can have similar effects on cation mobility, timber harvesting in N-saturated forests may contribute to a decline in both soil C and base cation fertility, decreasing tree growth. Although studies have addressed effects of either forest harvesting or N saturation separately, few data exist on their combined effects. Our study examined the responses of soil C and N to several commercially used silvicultural treatments within the Fernow Experimental Forest, West Virginia, USA, a site with N-saturated soils. Soil analyses included soil organic matter (SOM), C, N, C/N ratios, pH, and net nitrification. We hypothesized the following gradient of disturbance intensity among silvicultural practices (from most to least intense): even-age with intensive harvesting (EA-I), even-age with extensive harvesting, even-age with commercial harvesting, diameter limit, and single-tree harvesting (ST). We anticipated that effects on soil C and N would be greatest for EA-I and least with ST. Tree species exhibited a response to the gradient of disturbance intensity, with early successional species more predominant in high-intensity treatments and late successional species more predominant in low-intensity treatments. Results for soil variables, however, generally did not support our predictions, with few significant differences among treatments and between treatments and their paired controls for any of the measured soil variables. Multiple regression indicated that the best predictors for net nitrification among samples were SOM (positive relationship) and pH (negative relationship). This finding confirms the challenge of sustainable management of N-saturated forests.

High exchangeable calcium concentrations in soils on Barro Colorado Island, Panama

The soils on four lithologies (basaltic conglomerates, Bohio; Andesite; volcanoclastic sediments with basaltic agglomerates, Caimito volcanic; foraminiferal limestone, Caimito marine) on Barro Colorado Island (BCI) have high exchangeable Ca concentrations and cation-exchange capacities (CEC) compared to other tropical soils on similar parent material. In the 0–10 cm layer of 24 mineral soils, pH values ranged from 5.7 (Caimito volcanic and Andesite) to 6.5 (Caimito marine), concentrations of exchangeable Ca from 134 mmolc kg− 1 (Caimito volcanic) to 585 mmolc kg− 1 (Caimito marine), and cation exchange capacities from 317 mmolc kg− 1 (Caimito volcanic) to 933 mmolc kg− 1 (Caimito marine). X-ray diffractometry of the fraction < 2 μm revealed that smectites dominated the clay mineral assemblage in soil except on Caimito volcanic, where kaolinite was the dominant clay mineral. Exchangeable Ca concentrations decreased with increasing soil depth except on Caimito marine. The weathering indices Chemical Index of Alteration (CIA), Plagioclase Index of Alteration (PIA) and Weathering Index of Parker (WIP) determined for five soils on all geological formations, suggested that in contrast to expectation the topsoil (0–10 cm) appeared to be the least and the subsoil (50–70 cm) and saprolite (isomorphically weathered rock in the soil matrix) the most weathered. Additionally, the weathering indices indicated depletion of base cations and enrichment of Al-(hydr)oxides throughout the soil profile. Tree species did not have an effect on soil properties. Impeded leaching and the related occurrence of overland flow seem to be important in determining clay mineralogy. Our results suggest that (i) edaphic conditions favor the formation of smectites on most lithologies resulting in high CEC and thus high retention capacity for Ca and (ii) that there is an external source such as dust or sea spray deposition supplying Ca to the soils.

The Response of a Small Stream in the Lesni Potok Forested Catchment, Central Czech Republic, to a Short-Term In-Stream Acidification

Lesni Potok stream drains a forested headwater catchment in the central Czech Republic. It was artificially acidified with hydrochloric acid (HCl) for four hours to assess the role of stream substrate in acid-neutralisation and recovery. The pH was lowered from 4.7 to 3.2. Desorption of Ca and MP and desorption or solution of Al dominated acid-neutralisation; Al mobilisation was more important later. The stream substrate released 4.542 meq Ca, 1, 184 meq Mg, and 2,329 meq Al over a 45 in long and I in wide stream segment, smaller amounts of Be. Cd, Fe, and Mn were released. Adsorption of SO42- and desorption of F- occurred during the acidification phase of the experiment. The exchange reactions were rapidly reversible for Ca, Mg and SO42- but not symmetric as the substrate resorbed 1083, 790 and 0 meq Ca, Mg, and Al. respectively, in a 4-hour recovery period. Desorption of SO42- occurred during the resorption of Ca and Mg. These exchange and dissolution reactions delay acidification, diminish the pH depression and retard recovery from episodic acidification. The behaviour of the stream substrate-water interaction resembles that for soil-soil water interactions. A mathematical dynamic mass-balance based model, MASS (Modelling Acidification of Stream Sediments), was developed which simulates the adsorption and desorption of base cations during the experiment and was successfully calibrated to the experimental data.

Reduction of Nutrient Losses with Eroded Sediments by Post-Fire Soil Stabilisation Techniques

After an experimental fire in steep shrub land in a temperate–humid region (north-west Spain), the effects of two post-fire stabilisation treatments (grass seeding and straw mulching) on the chemical properties of eroded sediments,and the amount of nutrients lost with them, we reevaluated relative to control burnt soil, over a period of 13 months. Total C and N concentrations, and d 13 C, indicated that sediments were mainly contributed by charred plant and litter material. The highest concentrations of extractable base cations in the sediments occurred during the first 3 months following fire, especially for Na and K. As treatments had little or no effect on nutrient concentration in sediments, differences in nutrient losses were due to the 10-fold lower sediment production in mulching compared with other treatments. In control and seeding treatments, the accumulated amounts of nutrients lost with sediments were 989–1028kgha 1 (C), 77kgha 1 (N), 1.9–2.4kgha 1 (Ca), 0.9–1.1kgha 1 (Mg), 0.48–0.55kgha 1 (NH 4 þ –N), 0.39–0.56kgha 1 (K), 0.19–0.34kgha 1 (Na) and , 0.1kgha 1 (P and NO 3 –N) . These values accounted for 22–25% (total C and N) and 5–12% (NH 4 þ –N, Ca, P and Mg) of available nutrients in ash, and 1.0–2.4% of those in ash þ topsoil. As nutrient and sediment losses were strongly correlated, the reduction of the latter by mulching application leads to an effective decrease of post-fire nutrient losses.

Transport d'eau généré par le cotransport Na+/glucose : nouvelle interprétation basée sur les effets distincts des flux entrants de cations et de glucose

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Transport d'eau généré par le cotransport Na+/glucose : nouvelle interprétation basée sur les effets distincts des flux entrants de cations et de glucose

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Reaction of benzisoxazolium cations with cyclic β-diketones

Reaction of 2-ethylbenzisoxazolium fluoborate (III) with dimedone, dihydroresorcinol, 2-methyldihydroresorcinol and 2-methylcyclopentane-1,3-dione in the presence of base leads to the formation of amides VIII, XI, X and XIII respectively, via the benzoketoketenimine intermediate (IX) and an intramolecular migration. The 7-hydroxy-2-ethylbenzisoxazolium salt (IV) gives the amide (XIV) by double migration. Amides VIII, XI, X and XIII undergo intramolecular Michael reaction to furnish the benzoxazinones (XVI, XVIII, XVII and XXVI). Stereochemistry of this addition is discussed and the conformation in which the CN bond at C-1′ is attached equatorially to the cyclohexanone ring is assigned to the Spirans (XX, XXX and XXVIII). Effect of acids and bases on the amide (VIII) and the spiran (XVI) is described.