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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-50982
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2011/5098/


The Past Nitrogen Cycle of the German Bight/SE North Sea:Stable Nitrogen Isotope Observations and Simulations

Rekonstruktion des naturnahen Stickstoffkreislaufs in der Deutschen Bucht/SE Nordsee mittels stabiler Isotope des Stickstoffs

Serna, Alexandra

Originalveröffentlichung: (2010) Continental Shelf Research
pdf-Format:
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SWD-Schlagwörter: Meeressediment, Stickstoffkreislauf, Aminosäuren
Freie Schlagwörter (Deutsch): Stickstoff, Isotope, Deutsche Bucht, Nordsee
Freie Schlagwörter (Englisch): Stable isotopes, nitrogen, sediments, North Sea, German Bight, eutrophication
Basisklassifikation: 38.48 , 38.32
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Emeis, Kay-Christian (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 21.01.2011
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 04.04.2011
Kurzfassung auf Deutsch: Diese Arbeit befasst sich mit der Rekonstruktion von historischen Stickstoffisotopensignalen und -frachten in der Deutschen Bucht/SE Nordsee, indem direkt gemessene Daten von Sedimenten mit einem auf den Stickstoffkreislauf spezialisiertes numerisches Ökosystemmodel kombiniert werden. Die Abschätzung der Stickstoffeinträge aus Flüssen für den Zeitraum vor den 1970er Jahren mit dem Ziel, die flussinduzierte Eutrophierung in der deutschen Bucht zu reduzieren, ist einerseits für das Umweltmanagement und den Gesetzgebungsprozess von Bedeutung; andererseits wird gerade diese Abschätzung durch die unzureichende Datenlage erschwert. Modelle stellen daher ein wertvolles Instrument zur Identifizierung von ursprünglichen Bedingungen dar, um die Wissenslücke von historischen Stickstofffrachten der Flüsse zu schließen. Im Kern basiert diese Arbeit auf der Annahme, dass stabile Stickstoffisotopen-verhältnisse (δ15N) in archivierten Sedimentproben und in datierten Sedimentkernen die Nitrateinträge durch die Flüsse widerspiegeln. Modell-Simulationen von δ15N bieten bei der Untersuchung von Prozessen die Möglichkeit, die δ15N-Werte und ihre räumliche Verteilung in Oberflächensedimenten in der Deutschen Bucht zu bestimmen. Die Simulationen wurden mit dem dreidimensionalen Ökosystemmodell ECOHAM erstellt, das um ein N-Isotope-Tracking Modul ergänzt wurde.
Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptschritte: (1) Implementierung des N-Isotope-Tracking Moduls in das ECOHAM Modell und Validierung der Modellergebnisse mit Hilfe von heutigen δ15N-Daten in Oberflächensedimenten (Kapitel 2). Das ECOHAM Modell wurde dadurch validiert, dass die modellierte räumliche δ15N-Verteilung für das Jahr 1995 mit der beobachteten δ15N-Verteilung von Oberflächensedimenten der Jahre 1989-2009 verglichen wurde. Sensitivitätstests ergaben, dass die relevantesten Parameter zur Reproduktion der beobachteten δ15N-Werte in Sedimenten die Verhältnisse von 15N/14N in reaktiven Stickstoffquellen (z.B. Flüsse, Atmosphäre) sind, ebenso wie der Fraktionierungsfaktor, der mit den Umsetzungsprozessen von reaktivem Stickstoff (z.B. Nitrataufnahme durch Phytoplankton und N-Einlagerung) verbunden ist. (2) Erfassung der ursprünglichen Isotopensignale und Stickstofffrachten in den Flüssen (Kapitel 3). Für diesen Schritt wurde das Modell angewendet, um die räumlichen Verteilung von δ15N in Oberflächensedimenten für heutige (1990-1999) und historische (1960 und 1860) Bedingungen abzuschätzen. Die Verteilung von δ15N in heutigen Oberflächensedimenten in der Deutschen Bucht zeigen signifikant ansteigende Werte von den offenen Schelfgebieten hin zur inneren Bucht, hauptsächlich bedingt durch von deutschen Flüssen eingetragenen 15N-angereicherten Stickstoff. Die Rekonstruktionen der historischen Bedingungen zeigen, dass die Periode von 1950-1969 durch moderate Eutrophierung charakterisiert ist, wohingegen die Bedingungen vor 1860 als repräsentativ für Nitratgehalte in Flüssen gelten, die die Vorindustrialisierung darstellen. Die gemessenen δ15N-Werte aus Sedimentkernen steigen seit ca. 1860 deutlich an und weisen aufgrund ihrer veränderten Isotopenzusammensetzung auf ansteigende Nitrateinträge in Folge von menschlicher Aktivität hin. (3) Untersuchung zu möglichen Veränderungen der Isotopenzusammensetzung von partikulärem Stickstoff während des Transports durch die Wassersäule und der Einlagerung im Sediment (Kapitel 4). Dieses Kapitel untersucht die Rolle des Abbaus von organischem Material und dessen Einfluss auf das δ15N-Signal von suspendiertem Material und Sedimenten. Die Verteilung von Aminosäuren, ein Maß für den Abbaugrad des organischen Materials, zeigt, dass das rekonstruierte sedimentäre δ15N-Signal nicht durch Diagenese überprägt ist. Eine variable Verschiebung der δ15N-Werte im suspendierten partikulären Material zu den Oberflächensedimenten spiegelt das integrierte Signal der saisonalen Umsetzungsprozesse und den Beitrag des 15N-angereicherten Nitrats aus den Flüssen wider.
Zusammengefasst konnte gezeigt werden, dass die modellierten und gemessene δ15N-Niveaus in Oberflächensedimenten der Deutschen Bucht übereinstimmen. Die sedimentären δ15N-Signale wurden dabei unter Annahme verschiedener Einflussmengen sowie unterschiedlicher δ15N-Werte von gelöstem und partikulärem Stickstoff aus den Flüssen modelliert. Der Vergleich zwischen Modellergebnissen mit Werten von δ15N in datierten Sedimenten an verschiedenen Stellen in der Deutschen Bucht ermöglicht die Bestimmung historischer δ15N-Werte und Stickstoff-Einträge. Die modellierten δ15N-Werte für die Bedingungen um 1860 können als repräsentativ für die Nitrat-Signaturen aus Flüssen vor der Industrialisierung angesehen werden. Die angenommenen N-Frachten (28% der heutigen jährlichen Atmosphäreneinträge und 10% der heutigen jährlichen Flussfrachten), die für die Simulation von 1860 verwendet wurden, repräsentieren ursprüngliche (pristine) Bedingungen.
Kurzfassung auf Englisch: This work reconstructs historical nitrogen isotope signals and nitrogen loads in the German Bight/SE North Sea in an approach that combines observational data from sediments and numerical ecosystem modelling focused on the nitrogen cycle. Scarce observational data of river nitrate loads prior to the 1970s complicate the assessment of target conditions for environmental management and legislation aiming to combat river-induced eutrophication in the shallow German Bight. In the absence of knowledge on historical nitrogen loads from rivers, models represent a highly useful tool to identify pristine conditions. This study is based on the assumption that stable nitrogen isotope ratios (δ15N) in archive sediment samples and dated sediment cores image riverine nitrate contributions. Simulations of δ15N also help to investigate the processes that determine the levels of and spatial distribution of δ15N in surface sediments of the German Bight. The simulations are carried out with the three-dimensional ecosystem model ECOHAM amended with an N-isotope-tracking module.
The work is done within three main steps: (1) Implementation of the N-isotope-tracking module in the ECOHAM model and validation of the model performance using recent surface sediment data of δ15N (Chapter 2). The ECOHAM model was validated by comparing the modeled δ15N spatial distribution for the year 1995 with the observed δ15N distribution of surface sediments collected from 1989-2009. Sensitivity tests suggest that the most relevant parameters to reproduce the observed δ15N in sediments are the 15N/14N ratios in reactive nitrogen sources (e.g. rivers, atmosphere), and the fractionation factors associated with turnover processes of reactive nitrogen (e.g. nitrate uptake by phytoplankton and N burial). (2) Hindcast of pristine isotopic signal and N-loads from rivers (Chapter 3). Here, the model is applied to estimate the spatial distribution of δ15N in sediments for modern (1990-1999 AD) and historical (1960 AD and 1860 AD) conditions. δ15N of modern surface sediments in the German Bight exhibit significantly increasing values from the open shelf sea to the inner bight, mainly attributed to 15N-enriched nitrogen discharged by the German rivers into the North Sea. Reconstructions of historical conditions indicate that the period 1950-1969 is characterized by moderate eutrophication, whereas pre-1860 AD conditions can be considered representative of pre-industrial riverine nitrate levels. Markedly increasing δ15N values observed in sediment cores from approximately 1860 AD onwards indicate changes in isotopic composition of riverine nitrate loads as a consequence of human activities. (3) Study of possible alterations of the isotopic composition of particulate nitrogen during transit through the water column and burial in the sediment (Chapter 4). This chapter investigates the role of organic matter degradation in coining δ15N signals of suspended matter and sediments. Amino acid (AA) composition, a measure of the state of degradation of organic matter, indicates that the reconstructed sedimentary δ15N are not overprinted by diagenesis. A variable offset between δ15N in suspended particulate matter and in surface sediments reflects an integrated signal of seasonal turnover processes and the contribution of 15N-enriched riverine nitrate sources.
In summary, modeled and measured levels of δ15N in surface sediments of the German Bight agree. The sedimentary δ15N signals were modeled at various assumptions of magnitude of input and river δ15N composition of dissolved and particulate nitrogen. Comparing the model results to levels of δ15N in dated sediments at various locations in the German Bight constrains historical δ15N signals and nitrogen loads. The modeled δ15N values for 1860 AD conditions can be considered representative of riverine nitrate signatures before industrialization. The N-loads (28% of the modern annual atmospheric loads and 10% of the modern annual river loads) assumed for 1860 AD simulations represent pristine conditions.

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