Nitrate leaching in forest soils: an analysis of long-term monitoring sites in Germany

Elevated atmospheric inputs of NH4+ and NO3– have caused N saturation of many forest ecosystems in Central Europe, but the fate of deposited N that is not bounded by trees remains largely unknown. It is expected that an increase of NO3– leaching from forest soils may harm the quality of groundwater in many regions. The objective of this study was to analyze the input and output of NH4+ and NO3– at 57 sites with mature forest stands in Germany. These long-term study sites are part of the European Level II program and comprise 17 beech, 14 spruce, 17 pine, and 9 oak stands. The chloride balance method was used to calculate seepage fluxes and inorganic N leaching below the rooting zone for the period from 1996 to 2001. Nitrogen input by throughfall was significantly different among most forest types, and was in the order: spruce > beech/oak > pine. These differences can be largely explained by the amount of precipitation and, thus, it mirrors the regional and climatic distribution of these forest types in Germany. Mean long-term N output with seepage was log-normal distributed, and ranged between 0 and 26.5 kg N ha–1 yr–1, whereby 29 % of the sites released more than 5 kg N ha–1 yr –1. Leaching of inorganic N was only significantly lower in the pine stands (P 25 (median of 0.8 kg N ha–1 yr–1). The stratification improved the correlation between N input and N output for sites with C : N ratios 25 was weaker (r = 0.21) compared with the complete data set. Our results suggest that NO3– leaching may increase in soils with wide C : N ratios when N deposition remains on a high level and that the potential to store inorganic N decreases with C : N ratios in the O horizons becoming more narrow. Nitratauswaschung aus Waldboden: eine Analyse von Dauerbeobachtungsflachen in Deutschland Erhohte NH4+- und NO3–-Eintrage haben zu einer N-Sattigung vieler Walder in Mitteleuropa gefuhrt. Der Verbleib des deponierten Stickstoffs, der nicht in den Baumen gebunden ist, ist jedoch weitgehend unbekannt. Es wird angenommen, dass ein Anstieg der NO3–-Auswaschung aus Waldboden die Grundwasserqualitat in vielen Regionen gefahrdet. In dieser Studie wurden die Eintrags- und Austragsraten von NH4+ und NO3– von 57 Waldflachen in Deutschland analysiert. Diese Dauerbeobachtungsflachen sind Teil des europaischen Level-II-Programms und setzen sich aus 17 Buchen-, 14 Fichten-, 17 Kiefern- und 9 Eichenbestanden zusammen. Die Cl–-Bilanz-Methode wurde angewandt, um die Sickerwassermengen unterhalb des Wurzelraumes fur die Periode von 1996 bis 2001 zu berechnen. Die N-Eintrage waren in vielen Waldtypen signifikant unterschiedlich und zeigten folgende Ordnung: Fichte > Buche/Eiche > Kiefer. Diese Unterschiede konnen weitgehend mit der Niederschlagsmenge erklart werden und spiegeln somit die regionale und klimatische Verteilung dieser Waldtypen in Deutschland wider. Der mittlere, langjahrige N-Austrag war log-normal verteilt and variierte zwischen 0 und 26,5 kg N ha–1 a–1, wobei 29 % der Flachen mehr als 5 kg N ha–1 a–1 freisetzten. Nur die Kiefernbestande wiesen eine signifikant (P 25 (Median von 0,8 kg N ha–1 a–1). Im Vergleich zu dem gesamten Datensatz verbesserte die Stratifizierung der Daten nur die Beziehung zwischen N-Eintrag und N-Austrag fur Flachen mit einem C:N-Verhaltnis 25 schwacher (r = 0,21) war. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die NO3–-Auswaschung in deutschen Waldern mit weiten C:N-Verhaltnissen in der Humusauflage zunehmen kann, sofern die N-Deposition auf einem hohen Niveau verbleibt. Ferner kann das Potenzial der Walder, anorganischen N zu speichern, mit enger werdenden C:N-Verhaltnissen in den Humusauflagen abnehmen.