Dynamics of forest soil chemistry

Abstract

Acidification caused by emissions of Nitrogen and Sulphur and associated adverse effects on forest ecosystems has been an issue on the political agenda for decades. Temporal aspects of soil acidification and/or recovery can be investigated using the soil chemistry model SAFE, a dynamic version of the steady-state model PROFILE used in critical loads assessment on the national level, e.g. for Sweden.



In this thesis, possibilities to replace the use of apparent gibbsite solubility coefficients with a more mechanistic Al submodel are investigated and a reconstruction model, MAKEDEP, is presented which makes hindcasts and forecasts of atmospheric deposition and nutrient uptake and cycling. A regional application of SAFE/MAKEDEP based on 622 sites in Switzerland is also presented.



It is concluded that the quantitative information on pools and fluxes of Al in forest ecosystems is very limited and that there currently exists no mechanistic alternative in modelling soil solution Al.



MAKEDEP is a valuable and operational tool for deriving input to dynamic soil chemistry models such as SMART, MAGIC and SAFE. For multi-layer models, e.g. the SAFE model, including nutrient cycling in MAKEDEP is shown to be important.



The strength of the regional assessment strategy presented in this thesis lies in its transparency and modularity. All submodules, including models, transfer functions, assumptions in the data acquisition strategy, etc., can be checked and replaced individually. As the presented assessment strategy is based on knowledge and data from a wide range of scientists and fields it is of vital importance that the research community challenge the assumptions made. The many measurable intermediate results produced by the included models will hopefully encourage scientists to challenge the models through additional measurements at the calculation sites.



It is concluded that current reduction plans are not sufficient for all forest ecosystems in Switzerland to recover from acidification. Accordning to model projections, nearly 40 % of the sites will have a base cation to Al ratio below one by year 2050.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mycken möda har under de senaste årtiondena lagts ner på forskning om försurande utsläpp och dess skadliga effekter på skogar, vattendrag och människor. Kritiska belastningsgränser, i folkmun kallat "vad naturen tål", har tagits fram och använts i europeiska förhandlingar om utsläppbegränsningar. För skogsekosystem baseras de kritiska belastningsgränserna för försurande nedfall på kvoten mellan baskatjoner - kalcium, magnesium och kalium - och inorganiskt aluminium.



Kritiska belastningsgränser för skogsekosystem kan bland annat beräknas med den markkemiska flerlagermodellen PROFILE. PROFILE är en stationär modell, dvs den beräknar det stationära tillstånd (steady state) som så småningom infinner sig om allt som påverkar systemet, tex försurande nedfall och klimat, hålls konstant. Det är således ett hypotetiskt tillstånd som beräknas och det beräknade tillståndet kan därför inte valideras. Beräknade kritiska belastningsgränser kan dock troliggöras genom att jämföra utdata från en dynamisk version av modellen, SAFE, med fältdata.



Ett problem med dynamiska modeller är att de kräver väsentligt mer indata än statioära modeller. På grund av osäkerheterna vid framtagning av indata bör man inte bara kräva att en dynamisk modell ska kunna återskapa dagens situation, utan att den dessutom ska ge en trovärdig bild av det förflutna. Ett annat problem vid framtagning av kritiska belastningsgränser för skogsekosystem är att de markkemiska modeller som används beräknar aluminium (Al) koncentrationer med hjälp av skenbara löslighetskoefficienter för gibbsit. Dessa varierar dock avsevärt i fält och denna Al-modell bör därför betraktas som en ren kurvanpassning till fältdata.



Syfte och avgränsning



I denna avhandling behandlas frågor om hur dynamiska aspekter av markkemi i skogs-ekosystem kan simuleras med hjälp av den markkemiska modellen SAFE. Alternativ till att använda skenbara lösligheter för gibbsit vid beräkning av Al-koncentrationer undersöks (Paper I-II) och en rekonstruktionsmodell, MAKEDEP, för framtagning av hur nedfall, näringsupptag och näringscirkulation förändras med tiden presenteras (Paper III). Vidare presenteras en förstudie (Paper IV) av regionala tillämpningar av MAKEDEP och SAFE baserad på 44 punkter i Skåne och en utvärdering av gjorda förenklingar (Paper V). Slutligen presenteras en regional tillämpning för Schweiz (Paper VI-VII) baserad på 622 punkter.



Metod och resultat



För att undersöka möjligheten att byta ut de skenbara löslighetskoefficienterna för gibbsit mot en mekanisitisk upplösnings-utfällningsmodell, konstruerades en kinetisk Al modell som inkorporerades i PROFILE (Paper I). I den kinetiska aluminium modellen styrs Al-koncentrationer av deposition, vittring av mineraler samt utfällning av en fast fas, där bildandet av ett aluminiumsilikatkomplex antas vara det hastighetsbestämmande steget. Även om utdata från en stationär modell inte är direkt jämförbara med fältdata indikerar de gjorda studierna att en betydande källa för Al saknas i modellen. För att undersöka möjliga källor gjordes en grundlig litteraturundersökning gällande flöden och förråd av Al in skogsekosystem (Paper II). Undersökningen tyder på att det biologiska kretsloppet kan spela en betydande roll för Al-koncentrationer i skogsmark.



En dynamisk markkemisk modell som SAFE behöver information om hur viktiga faktorer som deposition och näringsupptag förändras med tiden. På grund av den filterverkan som lövverket på träd har så påverkar skogstillväxt, och därmed också näringsupptag, depositionen av t ex baskatjoner och sulfat. För att undvika att historiska indata gällande näringsupptag, näringscirkulation och deposition används för att kalibrera utdata från den dynamiska modellen, t ex SAFE, konstruerades en modell kallad MAKEDEP (Paper III). MAKEDEP har sedan dess tillkomst använts för att härleda indata till SAFE både för enstaka punkter och vid nationella studier (Paper IV-VII). DEPUPT, en finsk variant av MAKEDEP, har inom International Cooperative Programme on Integrated Monitoring of Air Pollution Effects on Ecosystems (IM-ICP) använts för att härleda indata även till de dynamiska markkemiska modellerna MAGIC och SMART (Related Paper 3-5).



De databaser som använts vid framtagning av kritiska belastningsgränser för svenska skogsekosystem innehåller inte all den information som MAKEDEP behöver, vilket försvårar dynamisk modellering med SAFE på nationell nivå. En förstudie gjordes därför på 44 punkter i skåne (Paper IV) med en förenklad version av MAKEDEP. De regionala förenklingarna utvärderades (Paper V) genom att jämföra state-of-the-art beräkningar för två väl undersökta försöksområden, Solling i Tyskland och Gårdsjön utanför Göteborg, med de resultat som erhålls för dessa försoksområden när de regionala förenklingarna används. Utvärderingen indikerade att den fullständiga versionen av MAKEDEP bör användas, snarare än den förenklade. Den fullständiga versionen av MAKEDEP anpassades sedan till centraleuropeiska förhållanden och SAFE/MAKEDEP användes för beräkningar i 622 punkter i Schweiz (Paper VI-VII, Related Paper 6).



Slutsatser



Trots de många studierna rörande Al koncentrationer i markvatten är vår kunskap idag alltför begränsad för att en mekanistisk Al model ska kunna ersätta de vanligen använda skenbara löslighetskonstanterna för gibbsit. Flöden och förråd av Al i skogsekosystem är förvånande nog rätt dåligt kända och kunskapsluckorna är särskilt stora vad gäller vegetationens roll.



MAKEDEP har visat sig mycket användbar både vad gäller härleda indata till nationella dynamiska beräkningar med SAFE och vad gäller beräkningar för enstaka studieområden med SAFE, SMART och MAGIC. Möjligen kan MAKEDEP förenklas när enlagermodeller som SMART och MAGIC används, men när flerlagermodeller som SAFE används är näringscirkulationen av stor vikt för modellerade koncentrationer av näringsämnen i de övre jordlagren.



Det har visat sig möjligt att genomföra dynamiska beräkningar av markkemi i skogsekosystem på nationell nivå, vilket kan få betydelse i kommande förhandlingar om utsläppsbegränsningar. För att undersöka trovärdigheten i dessa beräkningar bör osäkerhetsstudier liknande de som gjorts för PROFILE (Related Paper 7-9) göras även för SAFE/MAKEDEP. Detta är dock enormt tidskrävande och beräkningarna kan ta dagar eller veckor för en enda beräkningspunkt, varför en sådan studie till en början bör begränsas till ett fåtal representativa punkter.

• author: Alveteg, Mattias
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Dr de Vries, Wim, Winand Staring Centre, The Netherlands
• organization: Division of Chemical Engineering
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Chemical Engineering
• keywords: Chemical technology and engineering, critical loads, regional, recovery, acidification, modelling, SAFE, MAKEDEP, Kemiteknik och kemisk teknologi, Environmental technology, pollution control, Miljöteknik, kontroll av utsläpp
• in: Reports in ecology and environmental engineering
• volume: 1998:3
• pages: 198 pages
• defense location: Kemicentrum KC, Lund
• defense date: 1998-11-27 10:15:00
• external identifiers: other:ISRN: LUTKDH/TKKT-3017-SE
• ISSN: 1104-2877
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 93e14f47-5758-4de9-b415-0e9700b79885 (old id 39189)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:42:04
• date last changed: 2019-05-23 18:00:29