Spatiotemporal Patterns and Dominant Controls of Riverine Nutrient Export Across Catchments

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Ebeling, Pia:
Spatiotemporal Patterns and Dominant Controls of Riverine Nutrient Export Across Catchments.
Bayreuth , 2023 . - ii, 160 S.
( Dissertation, 2022 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Human activities have affected the quality of water resources globally, threatening both ecosystem and human health. One major threat arises from excess nutrients, largely stemming from agriculture and waste water, causing eutrophication in receiving surface water bodies. For effective water quality management, knowledge of catchment functioning in terms of water and solute dynamics and the interplay of natural and anthropogenic controls is crucial. Catchments are both the focus of management as well as integrators of various interacting hydrological and biogeochemical processes. While most studies focus on specific processes and individual catchments, overarching spatiotemporal patterns of nutrient export from streams and their prevailing control mechanisms still need to be better understood to tailor improved water quality management. The aim of this thesis is to increase the understanding of spatiotemporal patterns of riverine nutrient export at catchment scale and to identify their dominant controls and underlying processes across a wide range of catchments on the basis of a newly assembled data set. Study 1 targets at the spatial patterns and controls of mean riverine nitrate, phosphate and total organic carbon concentrations and export dynamics across 797 German catchments. Study 2 explores spatiotemporal patterns of joint riverine nitrate concentration and discharge seasonality and controls across 290 German and French catchments. Study 3 aims to enable future knowledge gains beyond this thesis by providing the novel large-sample data set of water quality combined with data on water quantity, meteorology, nutrient input and catchment attributes for 1386 German catchments. To compile the consistent large-sample data set, water quality and quantity data from the environmental authorities of the German federal states and France were processed along with various spatial data sets characterizing the catchments. Data-driven analyses were applied to determine catchment archetypes (i.e., to classify catchments) regarding their nutrient export dynamics and identify similarities and differences across catchments. More specifically, catchment responses were characterized from riverine nutrient concentrations and discharge and subsequently linked to catchment characteristics using multivariate methods. In Study 1, mean concentrations and concentration-discharge relationships were determined to classify the catchments. Nutrient source heterogeneity was parameterized from horizontal landscape patterns and vertical nitrate concentration profiles to evaluate their impact on nutrient export dynamics. In Study 2, long-term trajectories of nitrate concentration seasonality were classified, considering seasonally variable response times. This classification allowed to evaluate if concentrations during high-flow season respond faster to management changes as shallow nitrogen sources are affected first and predominantly activated during high flow. The large-sample analysis of nutrient export dynamics across Germany (Study 1) identified regional patterns and nutrient-specific ranges with about 70% of the catchments classified as the respective predominant class. Nitrate and total organic carbon concentrations mostly increased with increasing discharge, while phosphate was predominantly diluted. The variability of both mean nitrate concentrations and export dynamics across the catchments increased with the share of agriculture and was linked to the share of sedimentary aquifers within the catchments. The results suggest that subsurface denitrification can buffer high diffuse inputs, causing vertical concentration heterogeneity across different flow paths. In agricultural lowland catchments with deep sedimentary aquifers, predominant in northern Germany, this leads to low mean riverine nitrate concentrations and strong enrichment patterns. For phosphate, anthropogenic sources dominated, although cycling processes likely caused substantial variability, decoupling the instream concentrations from the catchment source configuration. Phosphate export dynamics were surprisingly strongly controlled by diffuse sources, suggesting that losses from legacy stores in agricultural soils are more dominant than expected and need to be better considered for sustainable phosphorus management. Riverine total organic carbon concentrations were dominated by natural sources from riparian wetlands and by hydrologic controls. Nitrate and discharge varied synchronously in the majority of the German and French catchments (84%) with seasonal maxima during winter (Study 2). The trajectories of nitrate seasonality on the contrary were more diverse, with a similar number of catchments with low-flow and high-flow concentrations responding first to changes in nutrient inputs. The lack of a consistent link between the different trajectories and controls suggests complex underlying processes. In synthesis, consistent spatial patterns of nitrate-discharge relationships and seasonality imply that nitrate export predominantly varies at a seasonal time scale. Although nitrate export dynamics can exhibit significant long-term trends, their spatial variability among catchments was larger and better explained by catchment characteristics, implying persistence of spatial patterns and thus of underlying processes. Overall, this thesis advanced the understanding of spatiotemporal patterns of nutrient export dynamics and their dominant controls across a wide range of different catchments and enables further research by providing data products. Knowledge on regional similarities and differences of catchment archetypes and controls can inform catchment models of water and solute transport, provide context for ungauged basins and future catchment trajectories and help to adapt water quality management.

Abstract in weiterer Sprache

Menschliches Handeln beeinträchtigt die Wasserqualität weltweit, was die Gesundheit von Ökosystemen und Menschen bedroht. Eine wesentliche Gefahr entsteht durch Nährstoffüberschüsse, die zum Großteil aus der Landwirtschaft und Abwässern stammen und zur Eutrophierung von Oberflächengewässern führen können. Für eine wirksame Wasserqualitätsbewirtschaftung sind Kenntnisse über die Funktionsweise von Einzugsgebieten hinsichtlich der Dynamik von Wasser- und Stoffflüssen und des Zusammenspiels von natürlichen und anthropogenen Einflussfaktoren entscheidend. Einzugsgebiete stehen im Mittelpunkt der Bewirtschaftung und verbinden gleichzeitig eine Vielzahl interagierender hydrologischer und biogeochemischer Prozesse. Viele Studien konzentrieren sich auf spezifische Prozesse und einzelne Einzugsgebiete, allerdings müssen übergreifende raumzeitliche Muster des Nährstoffexports in Fließgewässern und die vorherrschenden Kontrollmechanismen besser verstanden werden, um die Bewirtschaftung der Wasserqualität zu verbessern. Ziel dieser Arbeit ist es, das Verständnis der raum-zeitlichen Muster des Nährstoffexports in Flüssen auf Einzugsgebietsebene zu verbessern und die vorherrschenden Einflussfaktoren und zugrunde liegenden Prozesse über eine Vielzahl von Einzugsgebieten anhand eines neu zusammengestellten Datensatzes zu identifizieren. Studie 1 befasst sich mit den räumlichen Mustern und Einflussfaktoren der mittleren Konzentrationen von Nitrat, Phosphat und organischem Gesamtkohlenstoff in Flüssen sowie die Exportdynamik in 797 deutschen Einzugsgebieten. Studie 2 untersucht die raum-zeitlichen Muster der gemeinsamen Saisonalität der Nitratkonzentration in Flüssen und des Abflusses in 290 deutschen und französischen Einzugsgebieten. Studie 3 hat das Ziel, einen über diese Arbeit hinausgehenden Wissenszuwachs zu ermöglichen, indem sie den neuen, groß angelegten Datensatz zur Wasserqualität zusammen mit Daten zu Abfluss, Meteorologie, Nährstoffeintrag und Einzugsgebietsmerkmalen für 1386 deutsche Einzugsgebiete bereitstellt. Um einen konsistenten Datensatz mit vielen Einzugsgebieten zu erstellen, wurden Wasserqualitäts- und -quantitätsdaten der Umweltbehörden der deutschen Bundesländer und Frankreichs und verschiedene räumliche Datensätze zur Charakterisierung der Einzugsgebiete verarbeitet. Mittels datengestützter Analysen, wurden Einzugsgebietsarchetypen bezüglich ihrer Nährstoffexportdynamik bestimmt (d. h. Einzugsgebiete klassifiziert) und Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen den Einzugsgebieten ermittelt. Konkret wurde das Verhalten der Einzugsgebiete anhand von Nährstoffkonzentrationen im Fluss und Abfluss charakterisiert und anschließend mit multivariaten Methoden mit den Einzugsgebietsmerkmalen verknüpft. In Studie 1 wurden die mittleren Konzentrationen und die Beziehungen zwischen Konzentration und Abfluss bestimmt, um die Einzugsgebiete zu klassifizieren. Die Heterogenität der Nährstoffquellen wurde anhand von horizontalen Landschaftsmustern und vertikalen Nitratkonzentrationsprofilen parametrisiert, um deren Einfluss auf die Nährstoffexportdynamik zu ermitteln. In Studie 2 wurden Langzeitverläufe der Nitratsaisonalität unter Berücksichtigung saisonal variabler Reaktionszeiten klassifiziert. Die Klassifizierung ermöglichte es zu beurteilen, ob die Konzentrationen bei saisonal höheren Abflüssen schneller auf Änderungen der Bewirtschaftung reagieren, da oberflächennahe Stickstoffquellen zuerst betroffen sind und überwiegend bei hohen Abflüssen aktiviert werden. Die groß angelegte Analyse der Nährstoffexportdynamik in Deutschland (Studie 1) ergab regionale Muster und nährstofftypische Wertebereiche, wobei etwa 70% der Einzugsgebiete in die jeweils vorherrschende Klasse eingestuft wurden. Die Konzentrationen von Nitrat und organischem Gesamtkohlenstoff stiegen überwiegend mit zunehmendem Abfluss, während Phosphat überwiegend verdünnt wurde. Die Variabilität der mittleren Nitratkonzentrationen und Exportdynamik in den Einzugsgebieten nahm mit dem Anteil der Landwirtschaft zu und war mit dem Anteil sedimentärer Grundwasserleiter im Einzugsgebiet verknüpft. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nitratabbau hohe diffuse Einträge abpuffern und zu einer Konzentrationsheterogenität im Untergrund über verschiedene Fließwege führen kann. In landwirtschaftlichen Einzugsgebieten im Flachland mit tiefgründigen, sedimentären Grundwasserleitern, wie in Norddeutschland vorherrschend, führt dies zu niedrigen mittleren Nitratkonzentrationen in den Flüssen und starken Anreicherungsmustern. Bei Phosphat dominierten anthropogene Quellen, obwohl Umsatzprozesse wahrscheinlich eine erhebliche Variabilität verursachten und die Konzentrationen im Fluss von der Quellenkonfiguration im Einzugsgebiet entkoppelten. Die Phosphatexportdynamik wurde überraschend stark von diffusen Quellen bestimmt, was darauf hindeutet, dass Verluste aus akkumulierten Einträgen in landwirtschaftliche Böden dominanter sind als erwartet und daher für ein nachhaltiges Phosphor-Management besser berücksichtigt werden müssen. Die Konzentrationen des organischen Gesamtkohlenstoffs in den Flüssen wurden von natürlichen Quellen aus flussnahen Feuchtgebieten und hydrologischen Einflüssen bestimmt. Nitrat und Abfluss variierten in den deutschen und französischen Einzugsgebieten mehrheitlich synchron (84 %) mit saisonalen Maxima im Winter (Studie 2). Die Langzeitverläufe der Nitratsaisonalität waren dagegen vielfältiger: Konzentrationen in den Jahreszeiten mit höheren und niedrigeren Abflüssen reagierten in einer ähnlichen Anzahl von Einzugsgebieten zuerst auf Veränderungen der Nährstoffeinträge. Das Fehlen einer konsistenten Verbindung zwischen den Langzeitverläufen und Einzugsgebietsmerkmalen lässt auf komplexe zugrunde liegende Prozesse schließen. In der Synthese deuten die konsistenten räumlichen Muster der Nitrat-Abfluss-Beziehungen und -Saisonalität darauf hin, dass der Nitratexport überwiegend auf einer saisonalen Zeitskala variiert. Obwohl die Nitratexportdynamik signifikante langfristige Trends aufweisen kann, war die räumliche Variabilität zwischen den Einzugsgebieten größer und besser durch Einzugsgebietsmerkmale erklärbar, was auf eine Beständigkeit der räumlichen Muster und damit der zugrunde liegenden Prozesse hinweist. Insgesamt erweitert diese Arbeit das Verständnis der raum-zeitlichen Muster der Nährstoffexportdynamik und ihrer vorherrschenden Einflussfaktoren über viele verschiedene Einzugsgebiete und ermöglicht weitere Forschungsarbeiten durch die bereitgestellten Datenprodukte. Die Kenntnis regionaler Ähnlichkeiten und Unterschiede von Einzugsgebietstypen und Einflussfaktoren kann Wasser- und Stofftransportmodelle unterrichten, Kontext für unbeobachtete Einzugsgebiete und zukünftige Entwicklungen liefern und helfen die Bewirtschaftung der Wasserqualität zu verbessern.