River biogeochemistry and source identification of nitrate by means of isotopic tracers in the Baltic Sea catchments

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Imke Mann
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1 River biogeochemistry and source identification of nitrate by means of isotopic tracers in the Baltic Sea catchments Maren Voß Barbara Deutsch 1, Ragnar Elmgren 2, Christoph Humborg 3, Pirju Kuuppo 4, Iris Liskow 1, Marianna Pastuszak 5, Carl Rolff 2 and Ulrike Schulte 6 1 Baltic Sea Research Institute, Germany 2 University of Stockholm, Department of System Ecology, Sweden 3 University of Stockholm, Department of Applied Environmental Science, Sweden 4 Finnish Environment Institute, Finnland 5 Sea Fisheries Institute, Poland 6 Ruhr Universität Bochum, Germay

2 Gliederung Die Ostsee Isotopensignaturen in Flüssen qualitative und quantitative Ansätze Isotopenbilanz für die gesamte Ostsee Zusammenfassung

3 Fakten zur Ostsee Oberfläche: Einzugsgebiet: Bothnischer Golf: Baltic Proper: km² km² Kemijoki 48. km² 496. km² Bevölkerung: 85 million innerhalb 1 km:15 million Neva Süßwasser: m³ s-1 6 größte Flüsse: m³ s-1 Daugava Oder Nemunas Vistula

4 N-Fracht in die Ostsee N- Quelle Flüsse Niederschläge N 2 -Fixierung Gesamt Gesamt N [1³ t N yr -1 ] DIN [1³ t N yr -1 ] 417 (6 größte Flüsse: 184) ± 63 (DON zu vernachlässigen) HELCOM, 1997, 22, Stålnake et al. 1999

5 NO 3- im Winter in der Ostsee Kemijoki µmol 2 Einw. km -2 Neva Daugava Bis zu 13 Einw. km -2 Oder Vistula T. Neumann

6 Jahresgang der Weichsel Vistula monthly mean nitrate (7/2-7/22) Annual means 116±65µMol NO3 (µmol) ±1.7 July August September October November December January February March April May June July August September October November December January February March April May June July δ15n-no3 ( ) ±13.3 δ18o-no3 ( )

7 Fraktionierungsprozesse und Quellen in der Weichsel NO 3 -uptake 1 2 NO 3 -uptake δ 15 N-NO 3 ( ) 8 δ 18 O-NO 3 ( ) r=.45 n=24, p<.5 8 r=.76 n=24, p< NO3 (µmol) NO3 (µmol)

8 Jahresgang des Kemijoki Kemijoki monthly means (7/2-7/22) Annual means ±3.5µMol NO3 (µmol) 2-2.±1.1 July August September October November December January February March April May June July August September October November December January February March April May June July δ15n-no3 ( ) ±4.1 δ18o-no3 ( )

9 Fraktionierungsprozesse und Quellen im Kemijoki 2 28 δ 15 N-NO 3 ( ) 1 NO 3 -uptake Snow-melt δ 18 O-NO 3 ( ) 24 2 Snow-melt -1-2 r=.67 n=14, p< NO3 (µmol) r=.73 n=14, p< NO3 (µmol)

Beziehung zwischen DIN Fracht, Landnutzung und δ 15 N-NO 3 cultivated land in catchment [%] 8 6 4 2 r² =.968 n =11 p<.

10 Beziehung zwischen DIN Fracht, Landnutzung und δ 15 N-NO 3 cultivated land in catchment [%] r² =.968 n =11 p<.1 DIN load [µmol/l/a] DIN load [µmol/l/a] r² =.841 n =11 p< flow weighted δ15n-no3 [ ]

11 Quellenindikatoren: δ 15 N- und δ 18 O im Nitrat 5 δ 18 O-NO Atmospheric deposition Oder Vistula Paimionjoki Neva Kemijoki 1 Nitrate from soil remineralization Nitrate from manure δ 15 N-NO 3

12 Mischungsmodel (nach Philipps and Koch, 22) δ 15 N W = f D δ 15 N D + f G δ 15 N G + f A δ 15 N A δ 18 O W = f D δ 18 O D + f G δ 18 O G + f A δ 18 O A 1 = f D + f G + f A Konzentrationsgewichtete Mittelwerte (PhD, B. Deutsch) Verschiedene Flüsse: Grundwasser: δ 15 N W = -,6 bis 9,2 δ 15 N G =,6 δ 18 O W = 6, bis 2,8 δ 18 O G = 1,4 Bodenablauf: Niederschläge (Kemijoki): δ 15 N D = 11,4 δ 15 N A = -,19 (.1) δ 18 O D = 5,3 δ 18 O A = 53,1 (51.7)

13 Isotopensignaturen in Flüssen und Landnutzung 1 4 Kemijoki 6 fro m Neva 6 4 Kokemäenjoki Paimionjoki Peene %] 8 [ ils so ne sti pri Nit rat e 8 rom ef rat Nit Atm.D ep. [% ] 2 2 Vistula Warnow Oder Nitrate from Farmland [%] 8 1

14 Isotopensignaturen in Flüssen und Landnutzung 1 4 Kemijoki 6 fro m Neva 6 4 Kokemäenjoki Paimionjoki Peene %] 8 [ ils so ne sti pri Nit rat e 8 rom ef rat Nit Atm.D ep. [% ] 2 2 Vistula Warnow Oder Nitrate from Farmland [%] 8 1

15 δ 15 N - Isotope Mapping Stark eutrophiert Eutrophiert <5% N 2 -fix >5% N 2 -fix Pristin Latitude (N) δ 15 N Longitude (E) 2

16 Stromfunktionen berechnet aus einem Ökosystemmodell Geschlossene Zirkulationszelle in der offenen Ostsee im JJA

17 Die Berechnung R (sources) = [R rivers F rivers + R rain F rain + R fix F fix ] / [F river +F rain + F fix ] R (sinks) = [R sed.den. F sed.den. +R wat.den. F wat.den. +R burial F burial ] / [F sed.den. +F wat.den + F burial ] R = 15 N/ 14 N, F=Flux Brandes und Devol (22)

18 Quantitativer Ansatz für die Bilanzierung von Quellen und Senken N-Fixation Denitrification [kt N/yr] modelliert nach Brandes und Devol (22)

19 Quellen und Senken von N in der Ostsee Literatur N 2 -Fixierung (ktn a -1 ) (Wasmund et al. 21, Schneider et al. 23) Denitrifizierung (ktn a -1 ) 49 (Shaffer and Rönner, 1984) Isotopenbudget 855 (Voß et al. 25) 855 (Voß et al. 25)

20 Zusammenfassung Die stabilen Isotope von N und O im Nitrat lassen eine Quellenidentifizierung zu. Zudem kann man das Nitrat aus diesen Quellen quantifizieren. Dieser Ansatz kann auch auf komplexe Systeme wie die gesamte Ostsee angewandt werden, um Eintragsquellen und - Senken abzuschätzen.

21 Denitrification latitude longitude ktons riverine DIN yr -1 converted to denitrification rates for the coastal areas shallower than 2m (yellow area) gives 881µmol N m -2 yr µmol N m -2 yr -1 was measured in the Gulf of Finland (Touminen et al. 1998).

22 δ 13 C Isotope δ 13 C Mapping Ambigious results: - North Sea water and Neva similar δ 13 C signals - δ 13 C does not mirror the salinity change and terrigenous material Latitude (N) Longitude (E)

23 Source indicators: δ 15 N-NO 3 and δ 13 C-DIC -4 δ 13 C-DIC Oder Vistula Paimionjoki Neva Kemijoki δ 15 N-NO 3

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