Direkte Messung und Bewertung des nebelgebundenen Eintrags von Wasser und Spurenstoffen in ein montanes Waldökosystem

Direct Measurement and Evaluation of Fog Deposition of Water and Trace Substances into a Mountainous Forest Ecosystem

Der nebelgebundene Eintrag von Wasser und Spurenstoffen kann in den Bergwäldern Mitteleuropas eine wichtige Rolle spielen. Die Quantifizierung dieses Eintrags stieß jedoch in der Vergangenheit auf messtechnische Grenzen. Nach der Entwicklung und Erprobung eines Systems aus einem Tropfenspektrometer zur schnellen Messung der Größenverteilung (40 Tropfengrößenklassen zwischen ø1,5 und 50 µm) im Nebel und einem Ultraschallanemometer zur Bestimmung des vertikalen Windes konnten an der ÖkosystemmesssDer nebelgebundene Eintrag von Wasser und Spurenstoffen kann in den Bergwäldern Mitteleuropas eine wichtige Rolle spielen. Die Quantifizierung dieses Eintrags stieß jedoch in der Vergangenheit auf messtechnische Grenzen. Nach der Entwicklung und Erprobung eines Systems aus einem Tropfenspektrometer zur schnellen Messung der Größenverteilung (40 Tropfengrößenklassen zwischen ø1,5 und 50 µm) im Nebel und einem Ultraschallanemometer zur Bestimmung des vertikalen Windes konnten an der Ökosystemmessstation „Waldstein“ von April 2001 bis März 2002 Messungen zur Nebelwasser­deposition durchgeführt werden. Zusätzlich wurden die Sichtweite und die chemische Zusammensetzung (pH, elektrische Leitfähigkeit, Na+, K+, NH4+, Mg2+, Ca2+, Cl–, NO3–, SO42– und PO43–) des Nebelwassers gemessen. Zur Sammlung von Nebelwasser wurde ein aktiver beheizbarer Nebelsammler entwickelt und parallel zu den Wasserflussmessungen eingesetzt. Die Proben wurden automatisch alle acht Stunden genommen. Die Sammelmengen betrugen im Median 249 ml und erlaubten die gewünschten chemischen Analysen. Im Untersuchungszeitraum waren 223 Nebeltage zu verzeichnen. Der Nebelanteil betrug 25,7 %. Für die Qualitätskontrolle der gemessenen Flüsse wurden die Daten auf Stationarität und Turbulenz überprüft und der Datensatz entsprechend angepasst. Die Messung der Nebeldeposition im Untersuchungszeitraum ergab einen Eintrag von 108 kg ha–1 a–1 Wasser für die turbulente Deposition und 17 kg ha–1 a–1 für den Eintrag über Sedimentation. Der turbulente Eintrag dominiert also mit ca. 86 % die Nebeldeposition. Die Summe aus beiden Eintragsarten entspricht einem Nebelniederschlag von 125 mm p. a. Eine klare Saisonalität der Nebelwasser­flüsse ist erkennbar. Die höchsten Nebelniederschläge sind im Spätherbst und im Winter zu verzeichnen, monatlich bis zu 24 mm (Januar) wurden gemessen. Die geringste Nebeldeposition wurde im August mit ca. 1 mm gemessen. Die ermittelten Tropfenspektren zeigen bei der Anzahlverteilung Maxima bei 2, 6 und 9 µm sowie ein Maximum von 12 µm in der Massenverteilung. Für die Massengrößenverteilung sind Verteilungen mit Maxima bei 9, 12 und 15 µm häufig. Die gemessenen Flüssigwassergehalte lagen bei einem Median von 156 mg m–3 und erreichten Maxima von 2639 mg m–3 (5-min-Mittel). Den größten Anteil am Fluss hatte die Größenklasse von 14,5 bis 15,5 µm Tropfen­durchmesser. Tropfen kleiner 7 µm wurden effektiv emittiert, die größeren deponiert. Die im Untersuchungszeitraum gefallene Menge an Regen und Schnee beträgt 1414 mm. Der Anteil des Nebels am atmosphärischen Eintrag von Wasser beträgt demzufolge etwa 8 %. Für insgesamt 253 Nebelereignisse wurden im Untersuchungszeitraum Proben gewonnen. Außerdem wurden zum Vergleich auf wöchentlicher Basis wet-only-Proben genommen. Die Konzentrationen in Nebel- und Regenwasser sind hoch variabel. Die Mediane liegen im Nebelwasser bei pH 4,14, 621 µeq l–1 für NH4+, 487 µeq l–1 für NO3– und 321 µeq l–1 für SO42–. Diese 3 Hauptionen machen ca. 87 % der Gesamtkonzentration aus. Die Konzentrationen im Nebelwasser sind deutlich gegenüber dem wet-only-Niederschlag erhöht. Die Anreicherungsfaktoren sind 18,1 (NH4+), 13,1 (NO3–) bzw. 11,5 (SO42–). Der nebelgebundene Eintrag der wichtigsten Ionen wurde aus der Konzentration und dem Nebelwasserfluss errechnet. Die eingetragenen Mengen sind 9,8 kg ha–1 für NH4+ (7,9 kg ha–1 für wet-only), 27,9 kg ha–1 für NO3– (25,1) bzw. 14,0 kg ha–1 für SO42– (15,0). Die durch feuchte oder okkulte Deposition eingetragene Menge ist für diese Ionen also im gleichen Größenbereich wie die Menge aus Regen und Schnee. Der Stickstoffeintrag beträgt insgesamt 13,9 kg N ha–1 a–1 (11,8 für wet-only). Der im Unterschungszeitraum durch den Bestandesniederschlag gemessene Eintrag von Stickstoff liegt bei 23,3 kg N ha–1 a–1. Die Differenz aus Bestandesniederschlag einerseits und wet-only und Nebel andererseits liegt mit –0,9 kg N ha–1 a–1 nahe Null. Zusätzliche Einträge sind durch die trockene Deposition (z. B. durch partikuläres Nitrat und Salpetersäure) zu erwarten. Der Umsatz von Stoffen im Kronenraum spielt dann eine wichtige Rolle in der Schließung der Ökosystembilanz für die verschiedenen Stoffe.show moreshow less
For mountainous forests in Central Europe fog deposition is likely to play an important role in the cycling of water, nutrients, and pollutants. Quantifying the amount of occult deposition was very difficult in the past due to technical limitations. In this project a deposition measurement setup was developed, tested and operated at the ecosystem research site “Waldstein”. The system consisted of a fast droplet spectrometer (measuring range from 1.5 to 50 µm diameter in 40 size classes) and an uFor mountainous forests in Central Europe fog deposition is likely to play an important role in the cycling of water, nutrients, and pollutants. Quantifying the amount of occult deposition was very difficult in the past due to technical limitations. In this project a deposition measurement setup was developed, tested and operated at the ecosystem research site “Waldstein”. The system consisted of a fast droplet spectrometer (measuring range from 1.5 to 50 µm diameter in 40 size classes) and an ultrasonic anemometer to measure the vertical wind component. From April 2001 through March 2002 a continuous data set of fogwater deposition had been obtained. In addition, visibility and the chemical composition of fog water (pH, electrical conductivity, Na+, K+, NH4+, Mg2+, Ca2+, Cl–, NO3–, SO42– und PO43–) were determined. Fog water was collected using an active heatable cloudwater collector which was developed during this project. Samples were taken every 8 h during fog events. The median sample volume was 249 ml. A total of 223 days with fog were observed during the measuring period. The percentage of fog occurrence was 25.7 %. Quality control of data included stationarity and turbulence tests. Corrected data sets were then used for flux calculations. During one year of measurements (2001/2002) a total water input of 108 kg ha–1 by turbulent deposition and 17 kg ha–1 by sedimentation was observed. Hence, turbulent deposition is dominating the total fog precipitation of 125 mm with a percentage of 86 %. Fogwater deposition shows a significant seasonal cycle. The highest monthly amounts were observed during late fall and winter (24 mm in January), lowest during the summertime (1 mm in August). Measured droplet count spectra show peak values at diameters of 2, 6, and 9 µm, respectively. The median droplet mass spectrum has a maximum at 12 µm. Typical mass spectra have peak values at 9, 12, or 15 µm diameter. For the liquid water content the median is 156 mg m–3 with a maximum of 2639 mg m–3 (5-min averages). The largest contribution to total fogwater flux is in the droplet diameter class from 14.5 to 15.5 µm. Droplets smaller than 7 µm are emitted (net balance), whereas larger droplets are deposited. For the measuring period the amount of precipitation by rain and snow was 1414 mm. Therefore, the percentage of fogwater input amounts to about 8 % of the total input. During the measurements 253 samples of fog water were taken. For comparison, wet only precipitation samples were taken on a weekly basis, too. The chemical composition of fog and rain water is highly variable. For fog water, median pH was 4.14, median concentrations were 621 µeq l–1 for NH4+, 487 µeq l–1 for NO3–, and 321 µeq l–1 for SO42–, respectively. These three major ions contribute 87 % to the total concentration. Fogwater concentrations are significantly higher than those in rain. Enrichment factors are 18.1 (NH4+), 13.1 (NO3–), and 11.5 (SO42–), respectively. The fog deposition for the main ions was calculated from concentrations and fogwater fluxes. The inputs are 9.8 kg ha–1 for NH4+ (7.9 kg ha–1 wet only), 27.9 kg ha–1 for NO3– (25.1) and 14.0 kg ha–1 for SO42– (15.0), respectively. Therefore, occult deposition is a major contributor to total ion inputs at that site, playing approximately the same role as rain and snow precipitation. Nitrogen input is 13.9 kg N ha–1 a–1 (11.8 wet only). Throughfall measurements for the measuring period show a nitrogen input of 23.3 kg N ha–1 a–1. Hence, throughfall is nearly the same as the sum of fog, rain, and snow. The role of dry deposition (e.g., the input of nitrate by particles or gaseous HNO3) in the ecosystem balance has not been quantified and has to be considered when trying to close the nitrogen cycles as well as other nutrient fluxes. Another aspect is the turnover within the tree canopy which may play a significant role in closing the balance.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Geowissenschaften
Author: Thomas Wrzesinsky
Advisor:Prof. Dr. Otto Klemm
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:11.02.2004
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Atmosphäre / Chemie; Deposition <Meteorologie>; Nebel; Nebelwasseranalyse; Waldökosystem
Tag:Eddy-Kovarianz; Feuchte Deposition; Nebelklimatologie; Spurenstoffkreisläufe
Biogeochemical fluxes; Eddy Covariance; Fog climatology; Fog deposition
Dewey Decimal Classification:550 Geowissenschaften
RVK - Regensburg Classification:UT 9000
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-784
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):04.03.2004