havet av samma ämnen.

Transkript

1

2 Övergödningen i Egentliga Östersjön beskrivs som en tvåstegsprocess. Det började med ökad antropogen belastning av näringsämnena fosfor och kväve, och fortsatte med okontrollerad intern produktion i havet av samma ämnen. För hundra år sedan var Östersjön ett näringsfattigt hav med klart vatten och mestadels syresatta bottnar. Men befolkningsökning, industrisamhällets framväxt, mer jordbruk, ökade skogsavverkningar, sjösänkningsföretag, utdikningar av myrar och våtmarker, användning av konstgödsel och fosfattvättmedel, har gjort att näringsbelastningen på havet markant har ökat. Länge såg det dock ut som att problemen var hanterbara. Gödningseffekterna begränsades till kustområden i närheten av större samhällen. Det var först på talet som övergödningen i öppna havet på allvar gjorde sig påmind (Andersson & Andersson 2006). Då ökade vinterhalterna av fosfor och kväve i ytvatten snabbt - fosfor från mitten av talet, och kväve från början av talet (Österblom et al 2007) - vilket ledde till kraftig algblomning på våren och ökad ansamling av dött organiskt material vid bottnarna. Den syrekrävande bakteriella nedbrytningen av det organiska materialet ledde till syrebrist i bottenzonen, utslagning av bottenfaunan, och ökad utbredning av döda bottnar. Stratifieringen i Egentliga Östersjön med en haloklin som skiljer ett tungt och salt bottenvatten från ett lättare och mindre salt ytvatten, försvårar vertikal omblandning och syresättning av vattenmassan, vilket gör djupbottnarna särskilt sårbara för syrebrist. Det var övergödningens inledning. Länge trodde man att det som hänt var reversibelt, att det skulle rätta till sig bara näringsbelastningen från land minskade. Men utvecklingen ser inte ut att gå att stoppa. Ökad utbredning av döda bottnar har öppnat för interna redoxstyrda biogeokemiska processer där fosfor som tidigare varit permanent begravd i bottensedimenten frigörs, kommer ut i bottenvattnet som fosfat, transporteras till ytvattnet och förstärker övergödningen. Den interna cirkulationen av fosfor bedöms idag vara minst lika stor som den externa tillförseln (Naturvårdsverket; Möjliga åtgärder ). Det finns stora förråd av fosfor i bottensedimenten från tiden när bottnarna var syresatta, fosfor som kommit från land eller med saltvattensinflöden från Västerhavet (Blomqvist & Rydin 2009). Tidigare, när Östersjön var näringsfattigt, var fosfor den begränsande faktorn vid algblomningen på våren, men nuförtiden är det kväve i form av nitrat som begränsar. Efter vårblomningen då allt nitratkväve bundits upp i fytoplanktonmassan finns det fosfor kvar i ytvattnet som kvävefixerande cyanobakterier kan utnyttja. Följden har blivit ökad cyanobakterieblomning, mer organiskt material vid bottnarna, förstärkt syrebrist och ännu mer fosfor som frisätts. Till det kommer cyanobakteriernas kvävefixering, som idag tillför lika mycket kvävenäring till havet som länderna runt Östersjön släpper ut (Naturvårdsverket 2008). Å andra sidan så försvinner också kväve genom denitrifiering, en process som gynnas av syrebristen. Övergödningen reglerar sig själv. I varje fall är det tydligt att mängden näringsämnen i Egentliga Östersjön varierar oberoende av näringsbelastningen från land (Naturvårdsverket 2008), och enligt Vahtera et al (2007) så omöjliggör för närvarande de kopplade cyklerna av syre, fosfor och kväve Östersjöns återhämtning. På lång sikt hoppas man dock att problemen ska kunna bemästras, men det kommer att krävas drastiskt minskade utsläpp av näringsämnen från alla länder runt Östersjön. Det finns också idéer om att på konstlad väg snabba på återhämtningen, exempelvis genom omblandning under salthaltssprångskiktet (Naturvårdsverket; Möjliga åtgärder ), eller genom att tillföra fosforbindande substanser till Östersjöns bottnar (Blomqvist & Rydin ), men om det är praktiskt genomförbart är osäkert. Hur man än gör kommer kostnaderna att bli mycket höga, och några garantier för att åtgärderna ska lyckas finns inte. 1

3 Kanske måste vi acceptera att miljön i Östersjön aldrig kommer att bli bättre. I varje fall inte inom överskådlig tid. Övergödningen har varit känd i mer än ett halvt sekel och det har vidtagits en mängd åtgärder men utvecklingen rullar på som om inget hänt. Att fosfatinbindning i megaskala, eller drastiskt minskade näringsutsläpp skulle ändra den bilden är föga trolig. Det första förslaget visar snarast hur desperat läget är, och det senare går inte att genomföra så länge vi har en befolkning som ökar och ett stort behov av ett effektivt jordbruk. Men allt hopp är inte ute. Näringsutsläppens betydelse för övergödningen kan vara ett villospår. Det finns annat som kan ha varit viktigare. Om det vill vi berätta. Det var först när man insåg att Östersjön snabbt höll på att förändras på talet som man kom igång med systematiska miljöstudier. Vad som hänt dessförinnan är delvis höljt i dunkel. Teorierna kring övergödningens orsaker bygger därför i huvudsak på mer eller mindre kvalificerade gissningar och på vad bottensedimentprov kunnat berätta. Att det inte alltid varit så lätt visar uppgifterna kring näringsutsläppen. Det har länge hetat att kväve- och fosforbelastningen från land ökat fyra respektive åtta gånger sedan början av förra seklet. En senare rekonstruktion/modellstudie indikerar dock bara ett par tre gångers ökning (Savchuk et al 2008). I praktiken började övergödningen i slutet av talet. Det visar studier av Egentliga Östersjöns laminerade bottnar, d.v.s. varviga sediment som bildas där grävande bottenorganismer saknas för att syrehalten är för låg. Ett varv motsvarar ett års sedimentnedfall, och antalet varv berättar om när syrebristen startade. Genom att räkna varven i 29 borrkärnor från olika delar av Egentliga Östersjöns ackumulationsbottnar har Jonsson et al (1 990) skapat en ungefärlig bild av hur övergödningen utvecklats. (Figur 1 ). Tecken på att något var på gång kom visserligen redan på talet, men det var först i slutet av talet som övergödningen tog fart på riktigt. Då började arean av laminerade bottnar att stiga i rasande fart, med km 2 per år i genomsnitt fram till 1 990! Vad var det som låg bakom denna plötsliga förändring? Figur 1. Schematic illustration of the probable expansion of laminated surficial sediments during the 20th century in the Baltic proper (Från: Jonsson et al 1 990) 2

4 Märkligt nog har den frågan aldrig väckt något större intresse. Kanske för att svaret har uppfattats som självklart. Övergödningen startade för att de antropogena utsläppen av närsalter hade ökat. This increase must have taken place largely after World War II and at an accelerated pace after about , skriver exempelvis Elmgren (1 989). Men det finns några problem med den förklaringen: 1. Som vi nämnde har närsaltsutsläppen nog inte ökat så mycket som man tidigare trott. Fosfortillförseln till vattnen i Sverige uppskattas exempelvis bara ha stigit med drygt 20% mellan och (Naturvårdsverket 2004) och kväveutsläppen från jordbruket med måttliga 30% från till (Hoffman et al 2000). 2. Ökade/minskade utsläpp innebär heller inte automatiskt att belastningen på havet ökar/minskar. I varje fall inte på kort sikt och knappast i den takt som antyds i Figur 1. Under perioden var flodbelastningen av kväve och fosfor till Östersjön relativt konstant trots att det hade skett stora förändringar i landanvändning, atmosfäriskt nedfall och avloppsrening (Stålnacke et al 1 999). Likaså är näringsutflödena till Östersjön lika stora idag som de var i slutet av talet fast utsläppen till avrinningsområdena har minskat med 40% (HELCOM 2007). Avrinningsområdena fungerar som en buffertzon, som jämnar ut toppar och dalar i näringsflödena till kusten. 3. Om näringsutsläppen skulle ha orsakat övergödningen så borde dessutom fosfat- och nitrathalten i den eufotiska zonen i havet ha ökat tydligt innan utbredningen av döda bottnar tog fart. I stället ser det ut som att det var bottnarna som ledde utvecklingen och närsalthalterna som följde efter (Figur 2 och Figur 3). Mest uppenbart för nitrathalten men troligen sant också för fosfathalten. (Tidsserierna för närsalthalterna är de tidigaste vi hittat). Det tycks som att halterna styrs av arean av laminerade (syrefattiga) bottnar, snarare än av utsläppen från land. Så är det idag (Conley et al 2002; Vahtera et al 2007). Varför annorlunda tidigare? Figur 2. Vinterkoncentrationer av fosfat (μmol/l) i ytvatten vid stationerna BY1 5 (Gotlandsdjupet; SCB 2000) och BY31 (Landsortsdjupet; Larsson & Anderson 2005), och utbredningen av laminerade bottnar (tusen kvadratkilometer) i Egentliga Östersjön. 3

5 Figur 3. Vinterkoncentrationer av nitrat (μmol/l) i ytvatten vid stationerna BY1 5 (Gotlandsdjupet; SCB 2000) och BY31 (Landsortsdjupet; Larsson & Anderson 2005), och utbredningen av laminerade bottnar (tusen kvadratkilometer)i Egentliga Östersjön. De antropogena utsläppen ser inte ut att ha spelat så stor roll för den snabba utvecklingen av övergödningen efter Ändå kretsar det mesta kring dessa utsläpp trots att det var mycket annat som förändrades i Östersjöregionen under förra seklet, som att den 1 00-åriga flottningsepoken i Sverige och Finland avslutades. Om det sägs inte ett ord. Vi har tidigare visat ( att avvecklingen av flottningen sannolikt fick allvarliga konsekvenser för fisket, både i flottlederna och i Östersjön. Den kan också ha haft betydelse för övergödningen. För som Figur 4 visar så finns det en påtaglig överensstämmelse mellan kurvorna för årsvolymen i flottningen och arean av laminerade bottnar. Stoppsignalen för flottningen ser närmast ut att vara startsignal för övergödningen. Men är det ett kausalt samband eller bara tillfälligheternas spel? Utan tvekan påverkade flottningen i Norrland och Finland miljön i hela Östersjön. Alla landväxter innehåller den heterogena biopolymeren lignin. Inte minst träd, vars ved till 20-30% består av lignin. Under flottningsepoken fanns det mängder med timmer, massaved, sjunktimmer, sjölagrat timmer, etc., i vattnen. Allt försvann när verksamheten upphörde. Men spåren finns fortfarande kvar i Östersjöns sedimentbottnar. 4

6 Figur 4. Årsvolymer i flottningen i Sverige (miljoner kubikmeter; Nilsson et al 2005) och utbredningen av laminerade bottnar i Egentliga Östersjön (tusen kvadratkilometer) Figur 5 och 6 visar lignininnehållet i tre borrkärnor från Egentliga Östersjön, en från Gdanskbukten och två från Gotlandsbassängen. Före analysen har proven fått reagera med kopparoxid. Ligninet bryts då ner till enkla aromatiska föreningar som går lätt att analysera. V+S+C i Figur 6 står för summan av föreningarna vanillin, vanilinsyra, syringaaldehyd, syringasyra, p-coumarsyra och ferulasyra. Ligninoxidationsprodukterna i Figur 5 är i princip samma sak. I borrkärnan från Gdanskbassängen är ligninhalten förhöjd i området 5-20 cm. Det stämmer med att ligninhalten ökade under senare halvan av talet då flottningen tog fart, och minskade efter då den avvecklades. För sedimentkärnorna från Gotlandsbassängen (Figur 6) hade det varit bra om de översta 50 cm presenterats mer i detalj, särskilt för multicore-kärnan som har bäst kvalitet i det sedimentskiktet. Nu blir det hela hoptryckt och svåröverskådligt. Det ser ändå ut som att mönstret är samma som i Gdanskbassängen. Oxidationsprodukterna från lövträd och barrträd överensstämmer inte helt. Lignin från lövträd ger efter kopparoxidbehandling både syringyl- och vanillylprodukter medan barrträd bara ger de senare. På så sätt ger kvoten syringyl/vanillyl information om hur mycket av ligninet som kommer från lövträd respektive från barrträd. Ökar kvoten betyder det att inslaget av barrträd har minskat, och minskar den så har barrträdsandelen ökat. Kvotkurvorna i Figur 7, från tre borrkärnor från östra Gotlandsbassängen, stämmer väl med att lignin från tall och gran ökar från mitten av talet då flottningen expanderar, och minskar efter när den trappas ner. Tydligast i grafen längst till höger. 5

7 Figur 5. Lignin oxidation products in successive layers of the core I5/A00. Sedimentkärna från Gdanskbassängen; N/ E; vattendjup 1 00 m. (Från Staniszewski et al 2001 ) Figur 6. Lignin oxidation product yields (μg g-1 sediment) for the kastencore (open symbols) and multicore (solid symbols) samples plotted versus depth in core and Sedimentkärnor från Östra Gotlandsbassängen N/ E; vattendjup 241 m. (Från Miltner et al 2005) 6

8 Figur 7. Sediment profiles of terrestrial plant biomarkers (lignin, syringin/vanillin ratio) in three different cores from the eastern Gotland Basin. The right-hand side of each column indicates the dominance of broadleaved woodland, the left-hand side the dominance of coniferous woodland in the composition of the ligneous material. (Från: Lepie et al Tidsskalan till höger har bestämts för core ) Att ligninhalten minskade när flottningen avvecklades kan ha haft stor betydelse för övergödningen. Man har länge känt till att rötad råghalm har tillväxthämmande effekt på planktonalger, något som också används som en billig och miljövänlig metod för bekämpning av störande algblomning i övergödda dammar, kanaler och grunda sjöar (Geiger et al 2005; Ó huallacháin & Fenton 201 0). Behandlingen stoppar nybildning av alger, men slår inte ut de alger som redan finns. Råghalmsmetoden har testats i en lång rad laboratorie- och fältförsök, och även om resultaten skiftar är det tydligt att ett brett spektrum av alger berörs, som grönalger, kiselalger, dinoflagellater och cyanobakterier, och att hämningseffekten är selektiv vissa alger hämmas kraftigt, andra svagt eller inte alls, och några gynnas. Verkningsmekanismen är omdiskuterad, men mycket tyder på att ligninet i halmen har en nyckelroll (Ó huallacháin & Fenton 201 0). Det stöds bl.a. av försök där råghalm ersatts med ved som behandlats med brunröte-, respektive vitrötesvamp (Pillinger et al 1 995). Algtillväxten hämmades på samma sätt som tidigare, men brunrötad ved med hög ligninhalt, gav betydligt bättre hämning än vitrötad ved där ligninhalten var låg. (Nativt lignin går inte att isolera/renframställa och kunde därför inte användas). 7

9 Figur 8. The vertical distributions of cyanobacteria-specific pigments (myxoxanthophyll, echinenone and xeaxanthin; μg g-1 dry sediment), and organic carbon (%) in the sediment from the Gotland Basin (BCSIVB4). (Från Poutanen & Nikkilä 2001 ). Då är det naturligtvis intressant att primärproduktionen i Egentliga Östersjön inte bara har ökat, utan också radikalt stöpts om under övergödningen. För kiselalgsamhällets del kom första tecknen redan åren kring (Andrén et al 2000; ökad förekomst och förändrad artsammansättning i två borrkärnor från Gotlandsbassängen), och den numer så vanliga cyanobakterieblomningen startade förmodligen redan i slutet på talet (Figur 8; utgående från färgpigmentmönstret i borrkärna från Gotlandsdjupet). Cyanobakterieblomningen har sedan utvecklats till ett storskaligt gissel, medan kiselalgerna har minskat och delvis konkurrerats ut av dinoflagellater (Klais et al ). Olli et al (201 1 ) ger den här bilden av hur sommarsamhällena av fytoplankton har förändrats under åren : The phytoplankton species community in the Baltic Sea today is not the same what it was decades ago. Consequently, the whole Baltic Sea plankton community is not in a steady state or equilibrium, but rather in a continuous change. Artikelförfattarna noterar att det inte finns några tydliga kopplingar till näringsutvecklingen. Det faktum att lignin har tillväxthämmande/reglerande effekt på växtplankton är ett stöd för att sambandet mellan flottning och övergödning i Figur 4 är på riktigt. Så länge ligninhalten var hög var primärproduktion begränsad. När flottningen avvecklades och ligninhalten minskade så ökade primärproduktionen och övergödningen var igång. Effekten kan ha förstärkts av att avvecklingen gick hand i hand med ökad vattenreglering i de gamla flottlederna. Mer lignin försvann i vattenkraftsdammar och regleringsmagasin innan det nådde havet, särskilt partikulärt bundet lignin. Det betyder att det är viktigare att öka ligninhalten än att minska näringsbelastningen om övergödningen ska bemästras. Att bara göra det senare är troligen verkningslöst. 8

10 I ärlighetens namn ska sägas att det också finns frågetecken kring den här hypotesen, som att ligninhalten ser ut att ha varit nästan var lika låg före flottningsepoken som efter, att arean av laminerade bottnar ökade svagt innan avvecklingen av flottningen hade startat, och att vår teori är baserad på ett tunt faktaunderlag. Vi tycker ändå det finns goda skäl att ta teorin på allvar. Exempelvis, hur sannolikt är det att övergödningen bara av en slump tar fart just när flottningen avvecklades? Hypotesen borde dessutom vara enkel att testa. Avslutningsvis ska sägas att övergödningen hade kommit även om vi inte hade flottat. Fast mer smygande. Det är exploateringen av landområdena runt Östersjön av skogarna, sjöarna, vattendragen och våtmarkerna som är övergödningens moder. De omfattande flottledsrensningarna bidrog också, men så här i efterhand går det att se att själva flottningen hade sina fördelar. Den höll ekosystemet under armarna så länge den pågick och den har gett oss i Skandinavien en unik inblick i värdet av död ved i vatten. För den skull önskar vi inte flottningen tillbaka, även om ligninhalten i Östersjön tvunget måste höjas om miljön ska bli mer normal igen. Vi tror det här är viktigt. Vad anser myndigheter och forskning? 9

11 Andersson PM, Andersson LS. Long term trends in the seas surrounding Sweden. Part one Nutrients. SMHI, Rapport Andrén E, Andrén T, Kunzendorf H. Holocene history of the Baltic Sea as a background for assessing records of human impact in the sediments of the Gotland Basin. The Holocen, 10, , Blomqvist S, Rydin E. Hur fosforbindningen I Östersjöns bottensediment kan förstärkas. Naturvårdsverket, Rapport 5914, Blomqvist S, Rydin E. Förbättra fosforbindningen i Östersjöns bottnar. Kemisk tidskrift, 5, 31-34, Conley DJ, Humborg C, Rahm L, Savchuk OG, Wulff F. Hypoxia in the Baltic Sea and Basin-scale changes in phosphorus biogeochemistry. Environ Sci Technol, 36, , Elmgren R. Man s impact on the ecosystem of the Baltic Sea: Energy flows today and at the turn of the century. Ambio, 18, , Geiger S, Henry E, Hayes P, Haggard K. Barley straw algae control literature analysis. HELCOM. Towards a Baltic Sea unaffected by eutrophication. Overview 2007, Hoffman M, Johnsson H, Gustafson A, Grimvall A. Leaching of nitrogen in Swedish agriculture a historic perspective. Agr Ecosys Environ, 80, , Jonsson P, Carman R, Wulff F. Laminated sediments in the Baltic a tool for evaluating nutrient mass balances. Ambio 19, , Klais R, Tamminen T, Kremp A, Spilling K, Olli K. Decadal-Scale Changes of dinoflagellates and diatoms in the anomalous Baltic Sea spring bloom. PLos ONE, 6, 1-10, Larsson U, Andersson L. Varför ökar inte kvävet när fosforn ökar? Miljötillståndet i egentliga Östersjön. Rapport 2005, Leipe T, Dippner JW, Hille S, Voss M, Christiansen C, Bartholdy J. Environmental changes in the central Baltic Sea during the past years: inferences from sedimentary records, hydrography and climate. Oceanologia, 50, 23-41, Miltner A, Emeis K-C, Struck U, Leipe T, Voss M. Terrigenous organic matter in Holocene sediments from the central Baltic Sea, NW Europe. Chem Geology, 216, , Naturvårdsverket. Fosforutsläpp till vatten år Rapport 5364, maj Naturvårdsverket. Ingen övergödning. Underlagsrapport till fördjupad utvärdering av miljömålsarbetet. Rapport 5840, juni 2008 Naturvårdsverket. Möjliga åtgärder och effekter för att minska fosforläckage från Östersjöns syrefria bottnar. NV DNR: F och DNR: Nh 10

12 Nilsson C et al (1 0 medförfattare). Forecasting environmental responses to restoration of rivers used as log floatways: an interdisciplinary challenge. Ecosystems, 8, , Ó huallacháin D, Fenton O. Barley (Hordeum vulgare)-induced growth inhibition of algae: a review. J Appl Phycol, 22, , Olli K, Klais R, Tamminen T, Ptacnic R, Andersen T. Long term changes in the Baltic Sea phytoplankton community. Boreal Env Res, 16, 3-14, Pillinger JM, Gilmour I, Ridge I. Comparison of antialgal activity of brown-rotted and white-rotted wood and in situ analysis of lignin. J Chem Ecol, 21, , Poutanen E-L, Nikkilä K. Carotenoid pigments as tracers of cyanobacterial blooms in recent and postglacial sediments of the Baltic Sea. Ambio, 30, , Savchuk OP, Wulff F, Hille S, Humborg C, Pollehne F. The Baltic Sea a century ago a construction from model simulations, verified by observations. J Mar Sys, 24, , SCB. Naturmiljön I siffror Havet s Schernewski G, Neumann T. The trophic state of the Baltic Sea a century ago: a model simulation study. J. Mar. Sys. 53, , Staniszewski A, Lejman A, Pempkowiak J. Horizontal and vertical distribution of lignin in surface sediments of the Gdansk Basin. Oceanologia, 43, , Stålnacke P, Grimvall A, Sundblad K, Tonderski A. Estimation of riverine loads of nitrogen and phosphorus to Baltic Sea, Environ Monitor Asses, 58, , Vahtera E, et al; 1 0 medförfattare. Internal ecosystem feedbacks enhance nitrogen-fixing cyanobacteria blooms and complicate management in the Baltic Sea. Ambio, 36, , Österblom H, Hansson S, Larsson U, Hjerne O, Wulff F, Elmgren R, Folke C. Human-induced trophic cascades and ecological regime shifts in the Baltic Sea. Ecosystems, 10, ,