Effects of agricultural land use on dissolved organic carbon and nitrogen in streams

Abstract

Agricultural land use covers up to 40% of the terrestrial surface. Management practices associated with agricultural land use often alter the soil organic matter status and increase nutrient loads in soils and adjacent aquatic systems. In freshwaters dissolved organic matter (DOM) is the major form of organic matter and plays a key role in various ecological and biogeochemical processes. Thereby dissolved organic carbon (DOC) and nitrogen (DON) constitute main nutrient and energy sources to heterotrophic and autotrophic freshwater biota. As a consequence therof DOM, and in particular DON can contribute to eutrophication and support the growth of harmful phytoplankton. The identification of DOM and DON sources and composition as well as the determination of DOM degradability is therefore crucial e.g., for decision making in water conservation and resources management. In this thesis I aimed to fill the knowledge gaps on the effects of agriculture on DOM export to streams and on DOM processing within streams, focusing in particular on dissolved organic nitrogen. In order to investigate DOM and DON export, two field studies, one at local and one at global scale, were conducted as parts of this thesis. At local scale, DOC and DON amount and composition was monitored in 12 agricultural and forest headwater streams, situated in the Northeastern German Lowlands over a one year period. On global scale, land use effects were evaluated for 75 agricultural and 45 reference streams in 5 different climate zones, including areas with intensive and extensive farming. Thereby, sampling was performed during two main seasons to assess possible temporal variations in DOC and DON amount and composition. Furthermore, in order to enhance the understanding how DOM is further processed, biodegradability of DOM from pristine and agricultural catchments was investigated and the combined effects of DOM composition and inorganic nutrient concentration were studied in a batch experiment with benthic stream biolfilm bacteria. In all field and laboratory studies within this thesis, SEC and optical measurement were applied in parallel for the characterization and quantification of DOM. No information were available on the vulnerability of DOM samples for later SEC analysis to storage effects. Therefore, in this thesis a laboratory experiment provided information on the effects of cold storage and freezing on DOC and DON concentration and size fractions determined by SEC analysis, and therefore contribute to fill these knowledge gaps. Overall, this thesis revelealed that agricultural DOM was more microbially processed and had a much lower C:N ratio, and higher contributions of non-humic high molecular weight DOM than its forest counterpart. This was observed on local, as well as on global scale and presumably a consequence of accelarated organic matter processing in agricultural soils resulting from management processess, in particular fertilization. Strongly elevated DON loads from agricultural catchments indicate that agricultural soils can constitute important sources of DON and nitrogen-rich terrestrial DOM in streams. Even though the low C:N ratio of agricultural DOM was indicative of a lower content of refractory DOM sources in agricultural DOM, degradation of DOM was not evident during 81 days of laboratory experiment in this thesis. The absence of biodegradation of DOM by a benthic stream biofilm was likely not a result of the refractory character of DOM, but presumably can be attributed to the independence of the biofilm bacteria from external sources. However, from the results of the bioassay in this thesis no general conclusions on the biodegradability of DOM in freshwaters and its dependence on either DOM composition, or nutrient availability can be drawn. On the other hand, the findings indicated potentially different responses of planktonic versus benthic biofilm bacteria on DOM. Finally the findings of this thesis call for the integration of DON losses from agricultural soils to considerations in catchment nutrient management, as well as in terrestrial, but also aquatic N budgets. To completely unravel the fate and role of terrestrial N-rich terrestrial DOM in freshwaters, further research should also focus on the availability of this DOM to stream biofilm and planktonic organisms.

Landwirtschaftlich genutzte Fläche bedeckt bis zu 40% der globalen Landfläche. Die Bewirtschaftung dieser Flächen geht oft mit Veränderungen des organischen Materials, sowie mit Erhöhung der Nährstofffrachten in Böden, und weiterführend auch in Gewässern einher. In Süßwasser spielt gelöstes organisches Material (DOM) eine Schlüsselrolle in vielen ökologischen und biogeochemischen Prozessen. Dabei stellen gelöster organischer Kohlenstoff (DOC) und Stickstoff (DON) eine Hauptquelle für die Versorgung von heterotrophen und autotrophen Süßwasserorganismen mit Nährstoffen und Energie dar. Eine Folge davon ist, dass im speziellen DON stark zu Eutrophierung und dem vermehrten Wachstum von schädlichem Phytoplankton führen kann. Die Quellen und Zusammensetzung von DOM und DON zu identifizieren, ist daher von maßgeblicher Bedeutung, zum Beispiel zur Enscheidungsfindung im Gewässerschutz und der Wasserwirtschaft. Mein Ziel war es, in der vorliegenden Arbeit bestehende Wissenslücken bezüglich des Einflusses von Landwirtschaft auf den Austrag und die Umsetzung von DOM und im speziellen DON, in Fließgewässern zu füllen. Der Austrag von DOM und DON wurde dabei im Rahmen zweier Feldstudien auf lokaler und globaler Ebene untersucht. Dazu wurden auf lokaler Ebene monatlich, für die Dauer eines Jahres, Bäche mit landwirtschaftlicher Nutzung oder Wald im Einzugsgebiet im Nordosten Deutschlands beprobt. Auf globaler Ebene wurden Landnutzungseffekte in Bächen mit landwirtschaftlicher Nutzung und Referenz-Bäche mit naturnaher Nutzung im Einzugsgebiet untersucht. Die auf globaler Ebene untersuchten Einzugsgebiete umfassten Gebiete mit intensiver, wie auch extensiver Landwirtschaft und waren über 5 Klimazonen verteilt. Mit dem Ziel Erkenntnisse über die Umsetzung von DOM und DON aus unterschiedlichen Landnutzungen zu erlangen wurde ein Abbauversuch mit DOM aus landwirtschaftlich genutzten und Waldeinzugsgebieten und unterschiedlich hohen Konzentrationen durchgeführt. In allen Untersuchungen innerhalb dieser Studie wurde zur Bestimmung der DOC und DON Konzentration und DOM Zusammensetzung Größenauschlusschromatographie (SEC) parallel mit der Analyse von Spektralen Eigenschaften des DOM durchgeführt. Die Ergebnisse eines Laborexperimentes zum Effekt von Probenlagerung auf DOC und DON Zusammensetzung, sowie Konzentration schließen Wissenslücken bezüglich der Effekte von Probenlagerung auf die Größenfraktionierung mittels SEC. Insgesamt demonstrierte diese Arbeit deutliche Unterschiede in der DOM Zusammensetzung und dem DON Austrag zwischen Landnutzungen. Dabei konnte herausgestellt werden, dass landwirtschaftliches DOM mikrobiell stärker umgesetzt und durch ein deutlich niedrigeres C:N Verhältnis sowie höhere Anteile an nicht-huminstoffartigen, hochmolekularen Substanzen gekennzeichnet war. Diese Unterschiede fanden sich auf lokaler und globaler Ebene wieder und sind wahrscheinlich das Resultat von verstärkter Umsetzung organischen Materials in landwirtschaftlich genutzten Böden durch Düngung. Die hohen DON und DOM Frachten zeigen, dass Böden eine bedeutende Quelle für Stickstoff-reiches organisches Material in Gewässern in landwirtschaftlichen Einzugsgebieten darstellen. Obwohl ein niedriges C:N Verhältnis auf eine höhere Verfügbarkeit hindeutete, lieferte ein Abbauversuch mit benthischen Biofilmbakterien keinerlei Hinweis auf den Abbau von landwirtschaftlichem DOM, während es Hinweise auf den Abbau durch pelagische Bakterien gab. Die Abwesenheit von Abbauprozesses war dabei weniger ein Resultat der DOM Zusammensetzung, sondern vermutlich eher ein Resultat der Unabhängigkeit von Biofilmbakterien von externen Nährstoffen. Obwohl auf der Grundlage dieser Erkenntnisse keine generellen Schlussfolgerungen bezüglich der Abbaubarkeit von DOM gezogen werden können, deuten die Ergebnisse auf unterschiedliche Reaktivität bezüglich DOM von Biofilmbakterien gegenüber planktonischen Bakterien hin. Abschließend verdeutlicht diese Arbeit, dass der erhöhe DON Austrag aus landwirtschaftlichen Böden in terrestrische, aber auch aquatisch Stickstoffbilanzen, sowie bei der Entscheidungsfindung im Gewässerschutz und Wasserwirtschaft integriert werden sollte. Um die Rolle von N-reichem terrestrischen DOM aus landwirtschaftlichen Gebieten in Gewässern abschließend zu klären, sollten der Fokus künftiger Studien auf der Verfügbarkeit dieses DOM für planktonische und Biofilm-Organismen liegen.