Nitrogen deposition at Mediterranean holm-oak forests: loads and indicators

Abstract

En esta tesis presentamos información sobre la deposición de N en los bosques de encinar (Quercus ilex) en España para contribuir a mejorar la falta de estudios sobre el depósito de N en la cuenca del Mediterráneo. Se seleccionaron tres encinares cercanos a fuentes de contaminación urbanas (CB, CA y TC) y un cuarto sitio representativo de ambientes menos contaminados (LC). El sitio a priori menos afectado por las fuentes urbanas presentó cargas similares de contaminantes antropogénicos (N y S) que los más expuestos. Los resultados indican un transporte de contaminantes de las áreas metropolitanas, del tráfico marítimo y del transporte a larga distancia hacia las zonas de muestreo. Los valores de K+ en las muestras de trascolación procedieron de lixiviación desde el dosel, el SO42--S y NO3--N se originan por deposición seca, mientras que el NH4+-N fue absorbido en las copas. La deposición seca estimada supuso un 74 y 84 % del deposito total de N de 17 y 20 kg N ha-1 año-1 en LC y CB, respectivamente. Los resultados de esta tesis indican por lo tanto, que el total de depósito de N en varios bosques de España excede las cargas críticas propuestas para estos ecosistemas. Se estudió la variación de la química de la lluvia en el Montseny durante las últimas 3 décadas con el objetivo de entender cómo los programas de reducción de las emisiones de SO2, NO2 y NH3 implementados por El Convenio sobre la Contaminación Atmosférica Transfronteriza a Larga Distancia (CLRTAP) de la UN/ECE, afectan a la deposición atmosférica. Las fuertes reducciones de SO2 en España y países vecinos (75-85%) se reflejan en la reducción del nssSO42--S en la lluvia (65% en concentración, 62% en depósito) y en la deposición seca (29%) en el Montseny comparando mediciones en 1995-96 y 2011-13. Las emisiones de NO2 en España aumentaron de 1980 a 1991, fueron constantes hasta 2005 y luego disminuyeron, patrón que se refleja de forma paralela en los valores de NO3- en la precipitación del Montseny. Esto contrasta con los valores más elevados de NO3--N en depósito seco en 1995-96 comparado con los valores de 2011-12 (de 1.3 a 6.7 kg ha-1año-1), que se puede atribuir a las condiciones climáticas particulares de cada período. El aumento de las emisiones de NH3 en España durante los últimos 30 años (13%) no se reflejó en la tendencia del contenido de NH4+ en la lluvia en el Montseny. Como las emisiones de NH3 en España no han disminuido son necesarios acerca de los indicadores que mejor reflejan los síntomas en el ecosistema. Aquí proponemos un valor umbral <2.5 mg m-3 de NH3 en el aire para proteger las comunidades liquénicas en encinares. Este valor se obtuvo a partir del estudio de las relaciones entre el NH3 en el aire y la diversidad de líquenes por grupos funcionales (oligotrófico y nitrofílos) en un gradiente de distancia a una fuente emisora (granja). Además, otros parámetros (% N, δ15N, C: N, δ13C) medidos en diferentes compartimentos del ecosistema (hojas de árboles, musgos y suelos) resultaron buenos indicadores de contaminación por NH3. La variación de δ15N en hojas y musgos a lo largo del gradiente refleja la señal isotópica de la fuente N. El % N y el δ15N en musgo y hojas se correlacionó significativamente con la diversidad de líquenes nitrofílos y con los niveles de NH3, destacando así la especificidad de las especies nitrofílas a este compuesto. En el suelo, los mejores indicadores fueron la señal de δ15N y la ratio C:N. Esta última (<25) indicó un importante riesgo de lixiviación de N en la zona y la consecuente eutrofización de las aguas subterráneas. Por último, la variación en el contenido δ13C en muestras de hojas y musgos refleja la respuesta fisiológica de la vegetación a una mayor deposición de N.

With the present PhD we provide new information on N deposition to holm oak (Quercus ilex) forests in Spain, in order to contribute to fill the gap about N deposition in the Mediterranean Basin. Three forest sites were selected for their proximity to traffic/urban pollution sources and a fourth site was chosen as representative of less polluted environments. Results showed that the site farthest from pollution had similar anthropogenic pollutant (N and S) deposition loads than two of the more exposed sites. A widespread transport of pollutants from metropolitan areas, maritime traffic and long-range transport affected the sampling areas. In throughfall samples, K+ was explained by leaching from the canopies, SO42--S and NO3--N were generally derived from dry deposition while NH4+-N was absorbed in the tree canopies. The estimated dry deposition provided a 74 and 84 % to the total deposition of 17 and 20 kg N ha-1 yr-1 at LC and CB, respectively. The results of this PhD indicate that total N deposition at various sites in Spain exceeds (about 30%) the proposed critical load for sclerophyllous forests. The chemistry of bulk deposition at the Montseny mountains during the past 3 decades was analysed in order to understand how the abatement programs implemented by the Convention on Long Range Transboundary Atmospheric Pollution (CLRTAP) from UN/ECE to reduce SO2, NO2 and NH3 emissions have affected atmospheric deposition at this site. Strong reductions of SO2 emissions in Spain and neighbouring countries (75-85%) were reflected in reductions of non-sea salt-SO42- in precipitation (65% for concentrations and 62% for SO42-S deposition) and dry deposition (29%) at Montseny comparing measurements in 1995-96 and 2011-13. The NO2 emissions in Spain increased from 1980 to 1991, remained constant until 2005, and decreased thereafter, similar as NO3- in bulk precipitation at Montseny. This contrasted with an increase of NO3- -N dry deposition from 1995-96 compared to 2011-2012 (from 1.3 to 6.7 kg ha-1y-1), attributed to the particular climatic conditions of each period. The increase of NH3 emissions in Spain during the last 30 years (13%) was not reflected in the NH4+ bulk deposition trends at Montseny, probably related to a decrease of the formation of ammonium sulphate and nitrate aerosols due to declining SO2 and NOx emissions. In Spain, NH3 emissions have not been reduced. Therefore, studies are needed for early warning of its effects on ecosystems. Here, we propose a critical level value of < 2.5 µg m-3 NH3 air concentrations to protect lichen communities at semi-natural holm oak forest. This value was calculated by studying the relationships between air NH3 concentrations and lichen diversity values separated by functional groups (oligotrophic and nitrophytic) in a distance gradient from an emission point source (cattle farm). Besides, other parameters (%N, δ15N, C:N, δ13C) measured in different compartments (tree leaves, moss tissue and soil) of the ecosystem also respond to NH3 pollution and serve as indicators of pollution. The leaves and moss δ15N signal variation along the gradient reflected the N isotopic signal of the NH3 source. The %N and δ15N signal values in moss and leaves were significantly correlated with the relative nitrophytic functional group diversity and air NH3 concentrations, which highlights the specific response of nitrophytic species to NH3 pollution. In soils, the δ15N signal and C:N ratios were significantly related to NH3 pollution, with soil C:N values (C:N<25) indicative of the onset of N leaching and alerting about the potential N saturation and the risk of groundwater eutrophication at this forest. Finally, the variation in δ13C content in foliar and moss samples reflected the physiological response of vegetation to enhanced N deposition.