Recovery from Acidification - Policy Oriented Dynamic Modeling

Abstract

Dynamic biogeochemistry models are important tools for determining the time-scales of recovery from acidification. In the review process of the 1999 UNECE LRTAP Gothenburg protocol, results from dynamic models will probably be included when determining further reductions of acidifying emissions.



This thesis describes modeling of recovery from acidification using the dynamic multi-layer soil chemistry model SAFE. Sulfate adsorption was added to SAFE, modeled by a sulfate concentration and pH dependent isotherm. A method to parameterize this isotherm was developed and the isotherm was parameterized for a total of 20 sites, whereof 18 are located in Sweden, 1 in Germany and 1 in Poland. The SAFE model including sulfate adsorption was applied to 19 of these. The addition of sulfate adsorption improved the predictions of sulfate dynamics, especially at sites where there had been large deposition changes and where sulfate adsorption capacity is high.



Three of the modeled sites are well-studied single-sites and 16 sites are a part of regional study. Differences in data requirements and model output for the different types of studies are discussed from a policy perspective. The influence of climate driven changes in sea-salt deposition and of changes in forest practices and vegetation on model predictions of recovery is also discussed.



The SAFE model applications show that many sites in Sweden and Europe are still severely acidified and that soil recovery will require both further emission reductions and many decades of time.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Det försurande nedfallet över Europa har minskat kraftigt sedan 1970- och 1980-talen. Detta beror delvis på framgångsrikt arbete inom konventionen om långväga gränsöverskridande luftföroreningar (LRTAP), inom ramen för FN:s ekonomiska kommission för Europa (UNECE). Marken i många områden i Sverige och övriga Europa är fortfarande kraftigt försurad trots det minskade nedfallet av svavel- och kväveoxider.



För att kunna förutse återhämtningsprocesserna i marken över tiden kan man använda sig av dynamiska markkemiska modeller. Dessa modeller måste ständigt valideras mot mätdata från skog och mark för att vara trovärdiga. Modellernas prediktionsförmåga kan förbättras genom att addera processer till modellen i takt med att förhållandena i ekosystemen förändras och kunskapen om dem ökar.



De senaste åren har fokus på dynamiska modeller stärkts med målet att resultat från dessa modeller ska kunna användas som beslutsunderlag när man fastställer framtida utsläppsnivåer inom LRTAP. Förhoppningen är att sådana resultat skall kunna användas när det senaste protokollet inom LRTAP, Göteborgsprotokollet från 1999, omförhandlas under 2004-2005. Fördelen med den här typen av modellberäkningar är att de kan ge information om hur lång tid återhämtningsprocesserna i mark tar. Dynamiska modeller kan således besvara frågor som:



Om vi vill att marken i en viss skog skall återhämta sig till 2020, hur mycket måste vi då reducera utsläppen idag? Om vi inte kan minska utsläppen förrän om 10 år, hur mycket måste de då reduceras för att uppnå återhämtning till år 2020?



En av de få dynamiska modeller (SAFE) som kommer att användas för detta ändamål är utvecklad av Biogeokemigruppen på Kemiteknik vid LTH. I samband med att modellberäkningar kommer att användas som beslutsunderlag i policyprocessen är det särskilt viktigt att se över hur modellen förutsäger tiden för återhämtning från försurning.



I den här avhandlingen har SAFE förbättrats genom tillägg eller ändring av vissa markkemiska processer. Dessa förbättringar medför att man på ett mer korrekt sätt kan förutse förändingar i markkemin. Den viktigaste modellförbättringen är att sulfatadsorption har lagts till modellen.



Sulfatadsorption är en viktig process för att beskriva återhämtningsdynamik. Vissa marker har hög kapacitet att adsorbera sulfat. När svavelnedfallet var som högst, adsorberade dessa marker stora mängder sulfat. Samtidigt med sulfat adsorberas även upp till två vätejoner per sulfatjon. Detta medför att pH inte sjunker i den utsträckning som det annars skulle ha gjort, och de mätbara effekterna av försurningen fördröjs. Idag, när det försurande nedfallet minskat desorberas sulfaten, vätejonerna frigörs, och återhämtningen fördröjs på så vis.



I avhandlingen appliceras SAFE med sulfatadsorption på totalt 19 skogsytor, varav 18 är belägna i Sverige och 1 i Tyskland. Två av de svenska skogsytorna ligger i experimentområdet Gårdsjön, norr om Göteborg, där skogen täcktes med ett tak mellan 1991-2001 för att ta bort försurande nedfall. Den tyska ytan täcktes också med ett tak 1991 och det taket finns fortfarande kvar.



Tillägget av sulfatadsorption i SAFE ökade precisionen hos modellberäkningarna när värdena jämfördes med uppmätta data från varje område. Särskilt viktig är processen för den tyska skogsytan, där återhämtningen, sedd som en minskning i sulfatkoncentration, fördröjs med ca 10 år. För ytorna vid Gårdsjön, och övriga 16 svenska skogsytor är fördröjningen upp till 5 år.



När modeller används för att leverera data till policyprocessen, appliceras modellerna ofta på många olika ytor. Vid modellapplikationer på enstaka ytor har man ofta god tillgång till data för att parametrisera processer i modellen och utvärdera resultaten. När man använder modellen för ett stort antal ytor måste man däremot införa förenklingar och standardiseringar. Därmed riskerar man att förlora information i beskrivningen av återhämtning i den enskilda ytan. I policysammanhang är det dock inte alltid viktigt att mätdata och modelldata på enskilda ytor stämmer överens, så länge ytorna som grupp är representativa för det område som de finns i. En jämförelse mellan modellerade och uppmätta data på 16 svenska skogsytor visar att överensstämmelsen är mycket god, särskilt om man betraktar ytorna som representanter för Sverige som region.



Baserat på den goda överensstämmelsen mellan modell och mätdata gjordes en framtidsprognos för återhämtningen på de 16 ytorna. Modellberäkningar visar att även om markkemin delvis har förbättrats, kommer återhämtningen i delar av Sverige att vara mycket långsam. Utan fortsatta utsläppsminskningar av svavel- och kväveoxider kommer flera av de 16 ytorna fortfarande vara försurade år 2100.

• author: Fransson, Liisa
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Cosby, J.B, University of Virginia, Charlottesville, Virginia, USA
• organization: Departments at LTH
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: Kemiteknik och kemisk teknologi, Petrology, mineralogy, geochemistry, Petrologi, mineralogi, geokemi, Chemical technology and engineering, target loads, sea-salt episode, sulfate adsorption, SAFE, LRTAP, critical loads, integrated assessment
• pages: 143 pages
• defense location: Lecture Hall 111, Geocentrum 1, Sölvegatan 10, Lund Institute of Technology
• defense date: 2004-04-30 10:15:00
• ISBN: 91-628-6016-X
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: Martinson, L., Alveteg, M. and Warfvinge, P., 2003:Parameterization and evaluation of sulfate adsorption in a dynamic soil chemistry modelEnvironmental Pollution,124, 119-125Martinson, L., Alveteg, M., Mörth, C-M. and Warfvinge, P., 2003: The effect of changes in natural and anthropogenic deposition on modeling recovery from acidification, Hydrology and Earth Systems Sciences, 7(5), 766-776Martinson, L. and Alveteg, M., 2004:The importance of including the pH dependence of sulfate adsorption in a dynamic soil chemistry model Water, Air & Soil Pollution, 154, 349-356Martinson, L., Lamersdorf, N. and Warfvinge, P., 2004:The Solling roof revisited - slow recovery from acidification observed and modeled despite a decade of "clean-rain" treatment, Submitted for publicationMartinson, L., Alveteg, M., Kronnäs, V., Sverdrup H., Warfvinge, P., Westling, O., 2004:A regional perspective on present and future soil chemistry at 16 Swedish forest sites, Submitted for publication
• id: 932f653b-8eba-4693-9eba-e43a792164fd (old id 466966)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:32:59
• date last changed: 2023-04-18 18:39:16