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Mapping background values of atmospheric nitrogen total depositions in Germany based on EMEP deposition modelling and the European Moss Survey 2005

Kartierung der Hintergrundwerte atmosphärischer Stickstoff-Gesamtdepositionen in Deutschland anhand von Daten des EMEP-Messnetzes und des ICP Vegetation Moos-Monitoring 2005

Abstract

Background

In order to map exceedances of critical atmospheric deposition loads for nitrogen (N) surface data on the atmospheric deposition of N compounds to terrestrial ecosystems are needed. Across Europe such information is provided by the international European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) in a resolution of 50 km by 50 km, relying on both emission data and measurement data on atmospheric depositions. The objective of the article at hand is on the improvement of the spatial resolution of the EMEP maps by combining them with data on the N concentration in mosses provided by the International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops (ICP Vegetation) of the United Nations Economic Commission for Europe (UNECE) Long-range Transboundary Air Pollution (LTRAP) Convention.

Methods

The map on atmospheric depositions of total N as modelled by EMEP was intersected with geostatistical surface estimations on the N concentration in mosses at a resolution of 5 km by 5 km. The medians of the N estimations in mosses were then calculated for each 50 km by 50 km grid cell. Both medians of moss estimations and corresponding modelled deposition values were ln-transformed and their relationship investigated and modelled by linear regression analysis. The regression equations were applied on the moss kriging estimates of the N concentration in mosses. The respective residuals were projected onto the centres of the EMEP grid cells and were mapped using variogram analysis and kriging procedures. Finally, the residual and the regression map were summed up to the map of total N deposition in terrestrial ecosystems throughout Europe.

Results and discussion

The regression analysis of the estimated N concentrations in mosses and the modelled EMEP depositions resulted in clear linear regression patterns with coefficients of determination of r2 = 0.62 and Pearson correlations of r p = 0.79 and Spearman correlations of r s = 0.70, respectively. Regarding the German territory a nationwide mean of 18.1 kg/ha/a (standard deviation: 3.49 kg/ha/a) could be derived from the resulting map on total N deposition in a resolution of 5 km by 5 km. Recent updates of the modelled atmospheric deposition of N provided a similar estimate for Germany.

Conclusions

The linking of modelled EMEP data on the atmospheric depositions of total N and the accumulation of N in mosses allows to map the deposition of total N in a high resolution of 5 km by 5 km using empirical moss data. The mapping relies on the strong statistical relationship between both processes that are physically and chemically related to each other. The mapping approach thereby relies on available data that are both based on European wide harmonized methodologies. From an ecotoxicological point of view the linking of data on N depositions and those on N bioaccumulation can be considered a substantial progress.

Zusammenfassung

Hintergrund

Für die Kartierung kritischer Eintragsraten (Critical Loads, CL) für Stickstoff (N) werden flächendeckende Depositionsdaten benötigt. Diese werden europaweit im EMEP-Programm und auf nationalstaatlicher Ebene in Forschungsprojekten zur Verfügung gestellt. Es handelt sich um Ergebnisse aus Modellierungen, die u.a. auf Messwerten der N-Emissionen und der atmosphärischen N-Deposition beruhen. Dieser Artikel stellt am Beispiel der Daten zur N-Deposition aus dem European Monitoring and Evaluation Programme (EMEP) dar, wie deren räumliche Auflösung durch Kombination mit Daten der N-Anreicherung in Moosen aus dem International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops (ICP Vegetation) der United Nations Economic Commission for Europe (UNECE) Long-range Transboundary Air Pollution (LTRAP) Convention.erhöht werden kann.

Methoden

Die in einer Auflösung von 50 km mal 50 km vorliegende EMEP N-Depositionskarte wurde mit geostatistich validen Kriging-Karten über die Anreicherung von N in Moosen in einem Geografischen Informationssystem (GIS) verknüpft. Anschließend wurden die Mediane aller 5 km mal 5 km großen Rasterzellen der N-Anreicherungskarte innerhalb der jeweiligen 50 km mal 50 km abdeckenden EMEP-Rasterzellen berechnet. Die Mediane der geschätzten Elementkonzentrationen im Moos sowie die Depositionswerte wurden ln-transformiert und korrelations- und regressionsanalytisch untersucht. Sodann wurden die Regressionsfunktionen auf die Kriging-Flächenkarten der N-Anreicherungen in Moosen angewendet. Die Residuen der Regressionsfunktion wurden bestimmt, entlogarithmiert, auf die Mittelpunkte der entsprechenden EMEP-Rasterzellen projiziert, variogrammanalytisch auf räumliche Strukturen untersucht und mit Lognormal-Kriging flächenhaft interpoliert. Die Kriging-Karte der Residuen wurde abschließend mit der regressionsanalytisch berechneten N-Depositionsflächenkarte verrechnet.

Ergebnisse und Diskussion

Die Regressionsanalyse zeigt, dass die N-Anreicherung in den Moosen aus Hintergrundgebieten mit der N-Gesamtdeposition europaweit mit Pearson Korrelationen von rp = 0.79 sowie Spearman Korrelationen von rs = 0.70 korreliert ist. Das Bestimmtheitsmaß des Regressionsmodells beträgt r2 = 0,62. Die statistische Auswertung der auf dieser Grundlage berechneten Karte der N-Gesamtdeposition ergibt einen deutschlandweiten Mittelwert der von 18.1 kg/ ha / a (Standardabweichung 3.49 kg / ha / a). Vergleicht man die Ergebnisse dieser Berechnungen mit Ergebnissen aus anderen Verfahren, so zeigen sich z.T. Unterschiede. Die am Ende des Jahres 2009 anlässlich eines Workshops zur Modellierung von Schadstoffeinträgen und ihren Wirkungen auf Ökosysteme veröffentlichten N-Gesamtdepositionsmodellierungen entsprechen allerdings ungefähr denen, die anhand der Daten aus dem EMEP und ICP Vegetation in dieser Untersuchung berechnet wurden.

Schlussfolgerungen

Die Verknüpfung der Daten zur N-Gesamtdeposition (EMEP) und der N-Anreicherungen in Moosen (ICP Vegetation) ermöglicht eine empirisch validierte, räumlich differenzierte Kartierung der N-Gesamtdeposition. Die ausgeprägte, statistisch hoch signifikante Korrelation zwischen den beiden physikalisch und chemisch miteinander verbundenen Prozessen der atmosphärischen Deposition und der Bioakkumulation bilden die Grundlage der Kartierung. Die Karten nutzen vorhandenes Datenmaterial, das auf der Grundlage europaweit harmonisierter Methoden in zwei qualitätskontrollierten Messprogrammen erhoben wurde. Aus dem Blickwinkel der Ökotoxikologie ist die Verknüpfung von Daten über Stoffeinträge in terrestrische Ökosysteme und N-Anreicherungen in deren Moosbiomasse ein Fortschritt.

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Correspondence to Roland Pesch.

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Winfried Schröder, Marcel Holy, Roland Pesch contributed equally to this work.

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Schröder, W., Holy, M., Pesch, R. et al. Mapping background values of atmospheric nitrogen total depositions in Germany based on EMEP deposition modelling and the European Moss Survey 2005. Environ Sci Eur 23, 18 (2011). https://doi.org/10.1186/2190-4715-23-18

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