Acid Rain and Natural Organic Matter (NOM)

Abstract

Twentyfive years of research on the effects of acid rain on rivers and lakes has, to a very small extent, documented changes in the nature and properties of natural organic matter (NOM). In Western Norway, a "whole-watershed-artificial-acidification-experiment" took place in the period 1988–1996. The goals of this long-term experiment were to study the role of NOM in acidification of surface water and the effects of acid precipitation on the quality and properties of NOM. In the HUMEX project (Humic Lake Acidification Experiment) one half of a lake and the corresponding catchment was artificially acidified with H2SO4 and NH4NO3 over a period of 5 years. The other half of the lake and catchment served as a control. In addition to monitoring of the general chemical composition of the water from the two lake halves, a number of other chemical and biological characteristics were studied. Here, we report the results related to changes in the nature and chemical properties of NOM. During the first few years of acidification, a significantly lower concentration of NOM was recorded in the acidified half of the catchment, compared with the control. However, statistical analyses of all data (covering a 2-years pre-treatment period and 5 years of treatment) related to the concentration of NOM (TOC, colour, and UV absorbance) did not suggest any significant effect on the quantity of NOM. This apparent discrepancy between the initial decrease in the concentration of NOM and no effect when the whole 5-years period is considered, may be due to the results of two different simultaneous processes. The results suggest that there first was a reduction of TOC and colour, as a consequence of the acidification, followed by an increase, perhaps owing to increased fertilisation (nitrogen) and in addition to a general temperature increase during the period. In addition, short-term studies of the aquatic surface microlayers, lipophilicity of the NOM, content of organic sulfur, and molecular size indicate differences in the quality of the NOM between the two lake halves, which could affect light absorption. Saurer Regen und natürliche organische Wasserinhaltsstoffe In 25 Jahren Forschung zu den Auswirkungen des sauren Regens auf Flüsse und Seen wurden in geringem Ausmaß Veränderungen von Natur und Eigenschaften natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe (natural organic matter – NOM) dokumentiert. In Westnorwegen fand von 1988 bis 1996 ein Großversuch statt, in dem ein ganzes Wassereinzugsgebiet einer künstlichen Versauerung unterzogen wurde (whole watershed artificial acidification experiment). In diesem Langzeitexperiment sollten die Rolle der NOM bei der Versauerung von Oberflächenwasser und die Auswirkungen saurer Niederschläge auf Qualität und Eigenschaften der NOM untersucht werden. Im Rahmen des Projektes HUMEX (humic lake acidification experiment – künstliche Versauerung eines huminstoffreichen Sees) wurde ein See durch eine Absperrung in zwei Hälften unterteilt. In der einen Hälfte des Sees wurde über einen Zeitraum von 5 Jahren künstlich eine Versauerung herbeigeführt, indem die Wasserfläche und das umliegende Einzugsgebiet mit H2SO4 und NH4NO3-Lösung beregnet wurden. Die andere Hälfte des Sees mit ihrem Einzugsgebiet diente als unbeeinflußte Kontrolle. In dieser Zeit wurden die chemische Zusammensetzung des Wassers in den beiden Seehälften sowie eine Reihe weiterer chemischer und biologischer Meßgrößen verfolgt. In den ersten Jahren wurde in der versauerten Hälfte des Sees eine im Vergleich zur Kontrolle signifikant niedrigere Konzentration natürlicher organischer Wasserinhaltsstoffe gefunden. Über den gesamten Zeitraum jedoch – 2 Jahre Beobachtungszeit vor der künstlichen Versauerung und 5 Jahre Säureeintrag – ergab die statistische Analyse aller Daten zur Konzentration der NOM (gesamter organisch gebundener Kohlenstoff (TOC), Färbung und UV-Absorbanz) keinen Hinweis auf eine signifikante Beeinflussung der natürlichen organischen Wasserinhaltsstoffe bezüglich ihrer Quantität. Diese Diskrepanz zwischen der anfänglichen Abnahme der NOM-Konzentration und der bei Betrachtung des gesamten Versuchszeitraums beobachteten Konstanz konnte auf zwei unterschiedliche, gegenläufige Prozesse zurückzuführen sein: Zunächst nehmen TOC-Konzentration und Färbung als Folge der Versauerung ab, dann erfolgt eine NOM-Zunahme aufgrund des gestiegenen Nährstoffgehalts (Stickstoff). Zu berücksichtigen ist dabei auch, daß während des Versuchszeitraums ein Temperaturanstieg beobachtet wurde. Zusätzlich zur Langzeitbeobachtung grundlegender Parameter wurden einzelne Untersuchungen zu Lipophilie der NOM, Gehalt an organisch gebundenem Schwefel und Molekülgröße.