Varför fosfor ökar och kväve minskar i egentliga Östersjöns ytvatten Ulf Larsson 1 och Lars Andersson 1 Institutionen för systemekologi och SMF, Stockholms universitet Oceanografiska laboratoriet, SMHI Inledning Det senaste decenniets utveckling i egentliga Östersjön visar på kvarvarande luckor i vår kunskap om de mycket komplicerade biogeokemiska processer som reglerar våra havsekosystem. Efter flera decenniers ökning av mängden näringsämnen i egentliga Östersjöns ytvatten vände trenden i början av 199-talet, då koncentrationerna av både fosfor och kväve minskade under flera år. Men de senaste åren har koncentrationen av fosfor åter ökat snabbt och nått rekordnivåer, medan kväve fortsatt minska. Ingen av dessa förändringar kan kopplas till ändrad belastning från land, utan beror på variationer i interna biogeokemiska processer med fluktuationer i tillgången på syre som en styrande faktor. Syresituationen i egentliga Östersjöns djupvatten bestäms av balansen mellan behovet av syre för att bryta ner det organiskt material som sedimenterar från vattenmassan ovanför salthaltssprångskiktet och tillförseln av syre med det vatten som strömmar in genom Öresund och de danska sunden och blir Östersjöns djupvatten. När salthalten och därmed tätheten hos det inströmmande vattnet är tillräckligt hög jämfört med befintligt bottenvatten rinner det inströmmande vattnet längs botten och lyfter upp det syrefattiga bottenvattnet, annars sker inlagringen på en mellannivå. Stora inflöden av vatten med hög salthalt som förmår ersätta djupvattnet i hela egentliga Östersjön är sällsynta. Däremot tillförs djupvattnet varje år stora mängder vatten som lagras in grundare. Det senaste stora saltvatteninflödet skedde i januari 3 och har nu medfört att det finns syre i djupvattnet i hela egentliga Östersjön, utom i västra Gotlandsbassängen, medan syrefritt vatten med svavelväte fortfarande finns kvar strax under haloklinen. När inflödet kom 3 hade det gått ett decennium sedan de förra stora inflödena som skedde vintern 1993/9 och hösten 199. Syresituationen förbättrades tillfälligt efter dessa inflöden, men försämrades åter snabbt till den värsta sedan mätningar påbörjades på 19-talet. Inflödet av djupvatten till egentliga Östersjön styrs av vädret, varför tiden mellan stora inflöden kan variera avsevärt. Följderna kan bli stora och långvariga (flera decennier) variationer i mängd och fördelning av näringsämnen i egentliga Östersjöns vattenmassa. Enkla antaganden om att förhållandena i ytvattnet direkt återspeglar belastningen på Östersjön behöver modifieras och analysen av miljöövervakningsdata fördjupas. Modern forskning betonar, liksom Havsmiljökommissionen (SOU 3:7), vikten av en adaptiv förvaltning av havet där effekterna av insatta åtgärder kontinuerligt övervakas och utvärderas. För detta behövs en fördjupad kunskap om hydrodynamiska och biogeokemiska processer, med utveckling av avancerade modeller för att kunna särskilja i vad mån observerade förändringar beror på mänskliga åtgärder eller på förändrat klimat..
Extrema fosfathalter i egentliga Östersjöns ytvatten Under det senaste halva seklet har mängden näringsämnen i egentliga Östersjöns ytvatten ökat kraftigt (fosfat fig.1a och b och nitrat fig. ). De till mitten av -talet stadigt ökande koncentrationerna tillskrivs mänsklig påverkan, eftersom utsläpp till vatten och luft snabbt ökade i början av perioden. Men under senare år har det blivit allt tydligare att mängden näringsämnen i egentliga Östersjön kan variera mycket kraftigt även utan ändrad extern belastning. Nedgång i ytvattnets koncentration av fosfor som skedde efter saltvatteninbrottet 1993 tolkades som ett resultat av insatta åtgärder. Trenden vände dock i början av -talet och vintern var koncentrationen av fosfat högre än något tidigare år sedan slutet av -talet (fig. 1b). För nitrat, den dominerande oorganiska och därmed för växter lätt tillgängliga formen av av kombinerat kväve, har utvecklingen varit den motsatta. Sedan ett decennium har vinterkoncentration av nitrat i ytvattnet nästan halverats (fig. ), och var tillbaka till samma nivå som i slutet av 197-talet. Dessa stora förändringar hänger samman med den interna biogeokemiska omsättningen av näringsämnen i Östersjön och saknar tydlig koppling till ändringar av belastningen. Vad vi ser är en Östersjö som reagerar på skiftande omvärldsförhållanden på ett svårförutsägbart sätt. Stora fluktuationer i fosformängd I en tidigare artikel (Larsson & Andersson, Östersjö 1) visade vi att efter saltvatteninflödet 1993 minskade vinterkoncentrationen av fosfor i ytvattnet med ca % (fig. 1b), samtidigt som hela vattenmassans förråd av fosfor ökade med över 1 ton eller ca 3 % (fig. 3). Anledningen var att fosfor ackumulerades i djupvattnet som en följd av försämrade syreförhållanden och ett allt kraftigare salthaltssprångskikt. Nya beräkningar av totalmängden fosfor i egentliga Östersjön visar att fosfor fortsatte ackumuleras till och med för att därefter abrupt minska efter saltvatteninflödet i januari 3, som tillförde syrehaltigt djupvatten till egentliga Östersjön. Minskningen i vattenmassan uppskattas till ca 1 ton fosfor, ungefär 3 gånger mer än den årliga totala (antropogen+naturlig) fosfortillförseln till egentliga Östersjön. Troligen kommer mínskningen att fortsätta även under, eftersom det syresatta djupvattnet under 3 ännu inte nått norra och västra egentliga Östersjön. Denitrifikation i Östersjön oskadliggör kväve Även mängden kväve i vattenmassan har påverkats av tillgången på syre. Syresituationen i djupvattnet var före inflödet 3 den sämsta som observerats sedan mätningarna började i mitten av 19-talet. Syrebrist (< ml/l ~. mg/l) observerades regelbundet på 7- m djup och då och då även svavelväte (fig. ). När koncentrationen av syrgas sjönk under 1 mg/l denitrifierades på mindre än ett år allt nitratkväve under 1 m djup till oskadlig kvävgas. Därefter började det oorganiska kväveförrådet byggas upp igen, nu i form av ammonium (fig. ). När saltvatteninflödet våren nådde Landsortsdjupet halverades medelkoncentrationen av oorganiskt kväve där, samtidigt som ammonium minskade kraftigt och nitratkväve ökade (fig. ). Detta tyder på att det skedde en viss denitrifikation även när syre tillfördes djupvattnet, antingen efter nitrifikation till nitrat eller via vad som kallas ammonox-processen, dvs. att denitrifikation även kan ske utgående från ammonium och nitritkväve. Syrenivåerna, väl under 1 mg/l, är lämpliga för denitrifikation.
Beräkningar tyder på att totalmängden kväve i egentliga Östersjön under det senaste decenniet minskat med uppskattningsvis 1 miljon ton, och särskilt snabbt under 3 (fig. 3). Sannolikt är detta huvudförklaringen till den kraftiga nedgången i koncentrationen av oorganiskt kväve i ytvattnet. En sådan slutsats stärks av att perioden varit både varm och nederbördsrik, vilket sannolikt ökat tillförseln av kväve från land. Risk för stora blomningar i sommar De senaste årens kraftiga ökning av fosfor och minskning av kväve i växttillgänglig form i egentliga Östersjöns produktiva ytskikt har, genom att förhållandet mellan kväve och fosfor (fig. 7) ändrats, gynnat tillväxten av kvävefixerande cyanobakterier ( blågröna alger ), varav en giftig art. Brist på kväve i vattenmassan under vintern medför att den kvävebegränsade algtillväxten under våren blir mindre, vilket lämnar kvar mer fosfor i vattenmassan efter vårblomningen. Detta har de senaste åren och särskilt ytterligare förstärkts genom en kraftigt ökad uppblandning av fosfor från djupvattnet till ytskiktet. På alla undersökta stationer i norra egentliga Östersjön och västra Gotlandsbassängen var koncentrationen av fosfat efter vårblomningen vad som för några decennier sedan betraktades som normalt på vintern (fig. ). Höga fosfatnivåer fanns också öster om Gotland. Eftersom mycket tyder på att tillväxten hos kvävefixerande cyanobakterier begränsas av tillgången på fosfor kan sommarens blomningar bli mycket kraftiga om väderförhållandena blir lämpliga. Vid ett så pass kraftigt inflöde, som under vintern 3, rinner det inströmmande vattnet efter botten och fyller ut djuphålorna i en riktning motsols runt Gotland. Detta syns tydligt i figur 9 som visar vertikalprofiler av fosfat från tre stationer, BY1 i östra Gotlandsbassängen, BY31 i norra egentliga Östersjön samt från BY3 i västra Gotlandsbassängen. Två profiler visas för varje station, en från mars 1 och en från mars. För Gotlandsdjupet (BY1) syns tydligt hur fosfatkoncentrationerna har minskat i djupvattnet medan de ökat något i ytlagret. Vid Landsortsdjupet (BY31) syns att inflödet har nått hit och fosfathalterna har börjat minska i djupare lager, medan en kraftig ökning syns i ytlagret. Vid Karlsödjupet (BY3) syns ännu ingen effekt av inflödet, utan fosfathalterna har ökat både i djup- och ytvattnet. Hur koncentrationerna av närsalter i ytlagret varierat under början av visas i figur 1. Data från visas som prickar i förhållande till en medelårscykel för en 1-års period, 199-1999. Även här visas resultaten från östra, norra samt västra Gotlandsbassängerna. De extrema halterna av fosfat, höga kiselhalter samt de ovanligt låga koncentrationerna av kväve under vintern syns tydligt i samtliga bassänger. Efter vårblomningen gick fosfatkoncentrationerna ner till normala värden i Gotlandsdjupet, medan halterna vid Landsortdjupet var fortsatt högre än normalt fram till början av juni. Vid Karlsödjupet i västra Gotlandsbassängen ligger fosfatkoncentrationerna fortfarande på en mycket hög nivå trots att koncentrationerna av oorganiskt kväve ligger under detektionsgränsen.
Vädret avgör den närmaste årens utveckling Hur förhållandena kommer att utvecklas i framtiden beror bland annat på vädret. Det närmaste året kommer sannolikt fortsatt att präglas av god tillgång på fosfor och låg på kväve, eftersom saltvatteninflödet lyft upp det tidigare djupvattnet till strax under haloklinen men inte syresatt det. Vattnet innehåller svavelväte, mycket fosfor men relativt lite kväve. Hur förhållandena i det produktiva ytskiktet kommer att påverkas beror av bl.a. vindförhållanden. Om uppblandningen blir långsam kan mer fosfor fällas ut kemiskt innan det når ytskiktet och tillsvidare deponeras på sedimentytan. Blir sommarens blomning stor kan kanske en halv miljon ton fixerat kväve tillföras ytskiktet under några sommarmånader. Fortsätter fosfornivån att vara hög kan cyanobvakteriernas kvävefixering på sikt bidra till att kvävemängden i egentliga Östersjön åter ökar. Den enskilt viktigaste faktorn för de närmaste årens utveckling är hur syreförhållandena i djupvattnet kommer att förändras. I djupvattnet i Landsortsdjupet var syreförhållandena före saltvatteninflödet 1993 (fig. 11) de bästa sedan 19-talet, samtidigt som salthalten var exceptionellt låg, dvs. salthaltsprångskiktet var svagt (fig, 11). Tillskottet av syrerikare vatten under våren förbättrade bara syresituationen till vad som för bara några år tidigare skulle uppfattats som för området dåliga förhållanden. Det är möjligt att den syreskuld som byggts i form av ovanligt hög halt av ammonium i djupvattnet (fig. 1) snabbt kommer att förbruka syret. Hur det går avgörs till stor del av vädret och djupvatteninflödena, eftersom det ännu inte finns några tydliga indikationer på att belastningen på Östersjön börjat minska. Kanske kan också de för närvarande låga kvävekoncentrationerna begränsa produktionen av växtplankton under våren, och därmed minska av sedimentationen av syreförbrukande organiskt material till djupvattnet, eftersom mer av produktionen anses sjunka ut under våren än senare under året. Det är dock oklart om bättre och stabilare syreförhållanden i djupvattnet kommer att medföra en ökning eller minskning av kvävemängderna. Vill vi långsiktigt minska övergödningen av Östersjön finns bara en väg att försöka minska flödet av kväve och fosfor via vatten och luft till havet. Detta kan ske både genom direkta utsläppsminskningar, och genom att gynna det naturliga upptaget i vattendrag och våtmarker. Men vi måste vara beredda på ett långsiktigt arbete över flera decennier, där naturens nycker ibland kan få arbetet att verka hopplöst, och ibland kan inge falska förhoppningar om snabba framsteg. En tillförlitlig miljöövervakning och fördjupad forskning om havets omsättning av näringsämnen kommer att krävas för att gradvis förbättra vår förmåga att ge prognoser om framtiden och välja de mest effektiva åtgärderna.
Fig 1a Fosfat vid Landsortsdjupet (-1 m) 1..9..7 Fosfar µm....3..1. 19 19 197 19 199 Fig. 1b. Medelkoncentrationen av fosfat i de översta 1 m av vattenmassan vid station BY31 i Landsortsdjupet.
Nitrat vid Landsortsdjupet (-1 m) Nitrat µm 3 1 19 19 197 19 199 Fig.. Medelkoncentrationen av nitrat i de översta 1 m av vattenmassan vid station BY31 i Landsortsdjupet.
Total amounts of nutrients in the Baltic Proper x1 3 x1 3 Tonnes x1 3 3x1 3 x1 3 DIP Tot-P 1x1 3 199 199 199 Year x1 x1 Tonnes 3x1 x1 DIN Tot-N 1x1 199 199 199 Year x1 x1 Tonnes x1 Silica x1 199 199 199 Year Fig. 3. Beräknade totalmängder av fosfor (fosfat och totalfosfor), kväve (DIN=ammonium+nitrit+nitrat, totalkväve) och kisel i egentliga Östersjöns vattenmassa (för ytterligare förklaring se Larsson och Andersson, Östersjö 1).
3 - -1-1 Depth m - - -3-3 - Syre/Svavelväte 1 31 9 1 13 13 13 3 7 3 33 3 39 1 Dagnr (1=3-1-1) Fig.. Tidsutvecklingen av syre/svavelväte i vattenmassan vid station BY31 (Landsortsdjupet) under 1993 och till mitten av juni.
DIP µg/l Landsort Deep average concentration 1- m 1 1 1 1 DIP NH NO3 1 1 1 1 NO+NO3, NH µg/l 199 1991 199 1993 199 199 199 1997 199 1999 1 3 Year Fig.. Medelkoncentration av fosfat (DIP), ammonium (NH) och nitrit+nitrat (NO3) mellan 1 och m djup i Landsortsdjupet (BY31) seddan 199. 1 1 1 NH NO3 DIN 1 1 199 1991 199 1993 199 199 199 1997 199 1999 1 3 Fig.. Medelkoncentration av ammonium (NH), nitrit+nitrat (NO3) och oorganiskt kväve (ammonium+nitrit+nitrat) mellan 1 och m djup i Landsortsdjupet (BY31) seddan 199.
1 DIN/DIP vid Landsortsdjupet (-1 M) 1 1 19 197 197 19 19 199 199 Fig. 7. Förhållandet (µm/µm) mellan summa oorganiskt kväve (DIN) och fosfat (DIP).. Medelkoncentration av fosfat i maj (-1m). Fosfat µm.3..1 19 19 197 19 199 Fig.. Medelkoncentration av fosfat i de översta 1 m av vattenmassan vid Landsortsdjupet (BY31). Värden från och med 199 baseras på två mättillfällen och före 199 på ett varför de senare är osäkrare.
Fig. 11 Fig. 1 BY1 PO µmol/l 1 3 7 BY31 PO µmol/l 1 3 BY3 PO µmol/l 1 3 Fig. 13 1 DEPTH m 1 Fig. 1 1 DEPTH m 3 DEPTH m 1 1 March 1 March March 1 March March 1 March Fig. 9. Figurerna visar vertikalfördelningen av fosfat, vid tre stationer, mars 1 samt mars.
STATION BY1 SURFACE WATER Mean 199-1999 Annual Cycles St.Dev. 1 1 - Temperature o C Salinity psu 1 1 3 7 9 1 11 1 1 3 7 9 1 11 1. PO µmol/l DIN µmol/l 1. 1 1. 1.. 1 3 7 9 1 11 1 1 3 7 9 1 11 1 3 SiO 3 µmol/l 1 O saturation % 1 1 1 1 1 3 7 9 1 11 1 7 1 3 7 9 1 11 1 1 - - - - O ml/l OXYGEN IN BOTTOM WATER 1 - - - - O ml/l 1 3 7 9 1 11 1 Month 19 199 199 Year
STATION BY31 SURFACE WATER Annual Cycles Mean 199-1999 St.Dev. 1 1 Temperature o C Salinity psu 1-1 3 7 9 1 11 1 1 3 7 9 1 11 1. 1. 1.. PO µmol/l DIN µmol/l 1 1. 1 3 7 9 1 11 1 1 3 7 9 1 11 1 3 SiO 3 µmol/l 1 O saturation % 1 1 1 1 1 3 7 9 1 11 1 7 1 3 7 9 1 11 1 1 - OXYGEN IN BOTTOM WATER O ml/l - 1 3 7 9 1 11 1 19 199 199 Month Year 1 O ml/l
STATION BY3 SURFACE WATER Annual Cycles Mean 199-1999 St.Dev. 1 1 -. 1. 1.. Temperature o C 1 Salinity psu 1 3 7 9 1 11 1 1 3 7 9 1 11 1 PO µmol/l DIN µmol/l 1 1. 1 3 7 9 1 11 1 1 3 7 9 1 11 1 3 SiO 3 µmol/l 1 O saturation % 1 1 1 1 1 3 7 9 1 11 1 7 1 3 7 9 1 11 1 1 - O ml/l 1 3 7 9 1 11 1 OXYGEN IN BOTTOM WATER 1 - O ml/l 19 199 199 Year Month Fig. 1. Figurerna visar hur olika parametrar varierat under i förhållande till en medelårscykel 199-1999, för tr stationer.
Syre ml/l 3 1 Salt och syre i djupvattnet (1- m) vid BY31 1 11 1 9 Salt -1 Syre Salt - 19 197 199 7 Fig. 11 Medelkoncentrationen av syre och salt i djupvattnet (1- m) vid station BY31 i Landsortsdjupet. Nitri+nitrat, ammonium µm 1 1 1 Oorganiskt kväve i djupvattnet vid BY31 NH NO3 19 19 197 19 199 Fig. 1. Medelkoncentrationen av ammonium och nitrit+nitrat i djupvattnet (1- m) vid station BY31 i Landsortsdjupet.