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Estimating of two different kinds of forest damage mechanisms in southeastern Finland

Part I: The nitrogen-sulphur hypothesis
  • J. Jokinen
Wirkungen von Luftschadstoffen auf Gehölzpflandzen

Summary

Under northern conditions, coniferous trees provide versatile material for studies on variable effects caused by air pollutants. Pinus silvestris is a particularly suitable bioindicator, since it is widely distributed and sensitive to many air pollutants. In projects carried out by the Finnish Meteorological Institute, we have recently obtained results which support the so-called nitrogen-sulphur hypothesis. We suggest that the excess of nitrogen compounds like ammonia/ammonium, nitrogen oxides and nitrate deposited on forests, together with gaseous sulphur compounds and anthropogenic acids, trigger severe forest damages within large areas and distances around their emission sources. Around several urban areas, atmospheric concentrations of sulphur compounds have decreased due to the emission decrease of these compounds. In these cases, the total S(sulphur)-concentrations of the pine needles have decreased over large areas around the emission sources, while the total N(nitrogen)-concentrations of the needles have increased. On the other hand, there are many urban areas where the ambient air concentrations of S-compounds have stayed at rather high levels. In these situations, high total S-concentrations and low total N-concentrations have been noticed in the pine needles. The basis of two different kinds of forest damage mechanisms seems to depend on the relationship of N- and S-compounds in ambient air as indicated by the different concentrations of total sulphur and nitrogen in the needles and the relationship thereof. If the total sulphur concentrations of the needles are high, it is conceivable that the sulphur compounds, especially sulphur dioxide in the air, are so high that, when concentrated in the needles, they stop the function of nitrite reductase enzyme and the needles cannot reduce nitrogen compounds (oxides). As a result, pines cannot use concentrated nitrogen as nutrient and nitrite-nitrogen causes toxic effects. It is also possible that sulphur compounds alone cause toxic effects. Damages caused in this way hinder the nitrogen compound uptake by plants from the air. Around those urban areas where the emissions of sulphur compounds have decreased and the total sulphur contents of the needles are not high, the needles can take in nitrogen compounds from the air and use them as nutrients. The effects on and damages of needles in these situations are caused by excess nitrogen. It is conceivable that the sulphur dioxide concentrations in the air are so low that they do not stop the function of nitrite reductase enzyme. In this situation, both compounds are used as nutrients and the damages are so-called wintering failures (i.e., winter or frost damages). The disturbances in nitrogen metabolism and the deficiencies of several mineral nutrients may be the main causes of those damages seen during cold periods.

Keywords

Sulphur Compound Nitrogen Oxide Total Sulphur Total Sulphur Content Forest Damage 

Die Beurteilung zweier verschiedener Arten von Waldschadensmechanismen im südöstlichen Finnland

Teil I: Die Stickstoff-Schwefel-Hypothese

Zusammenfassung

Unter den Verhältnissen im Norden ist mit den Nadelbäumen vielseitiges Material für Untersuchungen über verschiedene durch Luftschadstoffe verursachte Folgen vorhanden. Weit verbreitet und empfindlich vielen Luftschadstoffen gegenüber, steht mitPinus silvestris ein besonders geeigneter Bioindikator zur Verfügung. Projekte, ausgeführt vom Finnischen Meteorologischen Institut, brachten kürzlich Ergebnisse, die die sogenannte Stickstoff/Schwefel-Hypothese unterstützen. Wir sehen es als wahrscheinlich an, daß ein Zuviel an Stickstoffverbindungen wie Ammoniak/Ammonium, Stickoxyden und Nitraten im Wald abgelagert, zusammen mit gasförmigen Schwefelverbindungen und anthropogenen Säuren, starke Waldschäden auf großer Fläche und in großer Entfernung um die Schadstoffquellen herum auslöst. Im Umfeld mehrerer Ballungsräume hat die Konzentration von Schwefelverbindungen in der Atmosphäre abgenommen, hervorgerufen durch die Abnahme der Emission dieser Verbindungen. In diesen Fällen haben in den Kiefernnadeln die Gesamtschwefelkon-zentrationen im Umkreis der Emittenten über große Flächen hinweg ab-, die Stickstoffkonzentrationen dagegen gleichzeitig zugenommen. Andererseits gibt es viele Ballungsräume, über denen die Konzentration von Schwefelverbindungen in der Atmosphäre ziemlich hoch geblieben ist. Unter diesen Umständen wurden hohe Gesamtschwefel- und nur geringe Gesamtstickstoffkonzentrationen in den Kiefernnadeln festgestellt. Grundlage von zwei verschiedenen Arten von Waldschadensmechanismen scheint die gegenseitige Beziehung von N- und S-Verbindungen in der Atmosphäre zu sein, wie sie sich ausdrückt in den verschiedenen Konzentrationen von Gesamtschwefel und- stickstoff in den Nadeln und die Beziehung beider zueinander. Wenn die Gesamtschwefelkonzentration in den Nadeln hoch ist, könnte man sich vorstellen, daß die Schwefelverbindungen—insbesondere Schwefeldioxyd in der Luft—so hoch sind, daß sie bei Konzentrationen in den Nadeln das Funktionieren des Nitratreduktaseenzyms verhindern und die Nadeln dann Stickstoffverbindungen (Oxyde) nicht mehr reduzieren können. Als Folge kann von den Kiefern konzentrierter Stickstoff als Pflanzennahrung nicht verwertet werden, und Nitritstickstoff führt zu toxischen Auswirkungen. Es ist ebenfalls möglich, daß Letztere allein von den Schwefelverbindungen verursacht werden. Schäden, die auf diesem Wege entstehen, verhindern die Aufnahme von Stickstoffverbindungen durch die Pflanze aus der Luft. Im Umfeld der Ballungsräume mit verringerten Emissionen von Schwefelverbindungen und geringem Gesamtschwefelgehalt der Nadeln können die Letzteren Stickstoffverbindungen aus der Luft aufnehmen und diese als Pflanzennährstoffe nutzen. Auswirkungen auf und Schäden an Nadeln in solchen Situationen werden durch ein Zuviel an Stickstoff verursacht. Es ist vorstellbar, daß die Schwefeldioxydkonzentrationen der Luft so gering sind, daß sie die Funktion des Nitritreduktaseenzyms nicht beeinträchtigen. In dieser Situation werden beide Verbindungen als Pflanzennährstoffe genutzt, und die Schäden sind sogenannte Winterausfälle (d. h. Winter- oder Frostschäden). Die Störungen im N-Stoffwechsel und Mangel an mehreren Pflanzennährstoffen können die Hauptursachen für jene während Kälteperioden sichtbaren Schäden sein. *** DIRECT SUPPORT *** A08Z6025 00003

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Copyright information

© Blackwell Wissenschafts-Verlag, Berlin 1993

Authors and Affiliations

  • J. Jokinen

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