1. Inledning och målsättning Mycket har skrivits om miljösituationen i Östersjön och omfattande forskning har gjorts och görs. Miljardinvesteringar har också gjorts för att rädda Östersjön, eftersom miljösituationen är en första ordningens angelägenhet inte bara för olika miljöorganisationer, yrkesoch fritidsfiskare, seglare och badare utan också för östersjöstaternas regeringar. I en kontinuerlig ström har det producerats råd och rekommendationer om lämpliga åtgärder och åtgärdsstrategier ifrån tongivande forskare, internationella organisationer (t ex Helsingforskommisionen, HELCOM, och internationella havsforskningsorganisationen ICES), från de olika ländernas miljödepartement, naturvårdsverk, samt regionala och lokala miljöinstitutioner. I stort har åtgärderna misslyckats. Fig. 1 (sid. 16) visar läget vad gäller ett av de tre stora miljöhoten mot Östersjön, övergödningen (= eutrofieringen). Det blir inte bättre utan sämre! I detta arbete skall vi försöka förklara: Östersjöns unika förutsättningar och varför det ser ut som det gör. Varför dagens åtgärdsstrategier misslyckats och redovisa en strategi som skulle kunna lyckas. Hur relevanta miljömål skall kunna tas fram och strategier för att nå miljömålet. Hur de forskningsverktyg vi använder oss av för att uppnå ovanstående fungerar och motivera användningen av dessa. Hur de tre stora miljöhoten, (a) övergödningen, (b) förgiftningen av framförallt klororganiska substanser och (c) det industriella rovfisket, ingår i ett integrerat system där åtgärder för att förbättra ett av hoten kan få negativa effekter för de andra miljöproblemen. Det är uppenbart att de sammanflätade miljöproblemen är mycket komplexa, och att graden av komplexitet är kopplad till den skala som diskussionerna eller forskningen utgår från. I detta arbete skall vi försöka att inte svälja mygg och sila kameler utan diskutera utifrån ett övergripande helhetsperspektiv. Ett av de stora problemen i sammanhanget är, som vi ser det, just bristen på helhetsperspektiv, vilket kan åskådliggöras av de huvudteser som ligger bakom de nuvarande åtgärdsstrategierna, nämligen: Miljömålet är att reducera alla stora och små närsaltsflöden till Östersjön från Sverige med 50%. Alla länder kring Östersjön måste, liksom Sverige, identifiera och åtgärda sina källor. Åtgärder måste sättas in mot alla flöden från industrier, jordbruk, städer och urbana områden och punktkällor som t.ex. fiskodlingar och bästa teknik skall användas. 9
År 1974 undertecknade länderna runt Östersjön en konvention för att skydda Östersjön. Ett av de konkreta resultaten blev Helsingsforskommisionen, HELCOM. Konventionen var, kan man säga, löst skriven och utan bindande krav på utsläppsreduceringar. 1992 kom en ny konvention som fastslog kravet på användandet av bästa möjliga teknik (Best available technology) vid utsläppskällor. Däremot sattes inga bindande miljömål. Det gjordes istället i de ministerdeklarationer, en juridiskt sett svagare variant av konvention, som skrevs 1988 och 1990. Här fastslogs att näringsutsläppen av kväve och fosfor till Östersjön skulle halveras mellan 1987 och 1995. Den gängse tolkningen av detta är att alla länder skall reducera sin utsläpp med 50% oavsett storleken på utsläppen eller hur lång man kommit i reningsarbetet. När man närmade sig slutdatum insåg man att tidsschemat inte skulle hålla och slutdatum sköts fram till 2005. Detta miljömål och denna åtgärdsstrategi kan kanske låta bra miljöpolitiskt, men är, som vi skall visa, naturvetenskapligt så suboptimal att man kan säga att det är direkt slösaktigt och felaktigt. Det betyder att de personer och institutioner som utformat och implementerar dagens strategier också är en del av problemet om de inte inser varför denna strategi misslyckats utan av t.ex. missriktad prestige håller fast vid den inriktningen. Vår vetenskapliga inriktning är egentligen mer målinriktad än att "förstå" de ytterst komplicerade samband som bygger upp akvatiska ekosystem. Inom vår forskargrupp vill också ha ekvationer för detta, och dessutom siffror på hur bra olika alternativa ekvationer beskriver förloppen, inte endast i Östersjön, utan generellt, för alla akvatiska ekosystem. Man kan likna de akvatiska ekosystemen vid kedjor, vars länkar är olika uppbyggda och av olika styrka. Styrkan i denna kedja kommer också att bero av den häxbrygd av kemiska substanser som människan tillverkar och släpper ut i naturen. De olika kemiska miljöhoten påverkar kedjan. Vilka länkar brister först då de utsätts för olika kemiska miljöhot? Vilka funktionella nyckelgrupper och djurarter dör först? Vid vilka koncentrationer uppkommer skadorna och hur varierar detta mellan olika ekosystem? En och samma giftdos ger olika effekt i ekosystem av olika känslighet. Vi vill ta fram generella matematiska modeller som beskriver sambanden mellan effekt, belastning och känslighet. Detta är en tulipanaros, lätt att säga men svårt att åstadkomma. Just komplexiteten har tagits som intäkt för alla misslyckanden att förutsäga (prediktera) miljöeffekter och de flesta som arbetar med akvatiska ekosystem idag anser nog att det är utsiktslöst, kanske meningslöst, att prediktera 10
effekter av kemiska substanser som närsalter, metaller eller organiska föreningar (som PCB, DDT, dioxin och metylkvicksilver) i naturliga ekosystem. Men det anser inte vi! Östersjöforskningen vid vårt program vid Uppsala universitet syftar ytterst till en generell, välkontrollerad (validerad) och välfungerande (hög prediktionskraft) ekosystemmodell. Den skall på ett orsaksmässigt korrekt sätt ge bra beskrivningar av miljöeffekter för kemiska substanser i akvatiska ekosystem. Dessutom skall den kunna ge tillförlitliga prediktioner av produktion, biomassa och predation/konsumtion för alla viktiga funktionella nyckelgrupper av organismer och förhoppningsvis också fiskarter av speciellt intresse, som torsk, strömming och skarpsill. Ett antal idéer och händelser har gjort att vi kommit närmare målet: 1. Reaktorolyckan i Tjernobyl. Detta kan säkert verka förvånande, men olyckan i Tjernobyl i april/maj 1986 innebar att stora delar av Europa, inklusive Sverige, vid ett tillfälle fick ta emot en stor stråldos av radiocesium (Cs-137). Ett ämne som är lätt att mäta med stor exakthet. Olyckan har inneburit att vi har kunnat följa hur denna puls av radiocesium transporteras genom ekosystemen. Detta ger en fantastisk möjlighet att lära sig hur ekosystemen är strukturerade, och detta är nyckeln till att bygga de matematiska modeller som är målet med vår forskning. Vi har nu utvecklat en modell för radiocesium som ofta ger lika bra prediktioner av målvariablerna, dvs. radiocesiumhalterna i vatten och fisk, som normalt tillförlitliga mätdata. Målvariablerna kallas så eftersom de är direkt kopplade till den stråldos som människor och djur exponeras för. 2. Italienaren Luigi Monte har med några eleganta analyser visat att man inte bör gräva ned sig i detaljanalys för att få bästa prediktiva kraft i ekosystemmodeller. Det finns en optimal modellstorlek för alla målvariabler och den storleken är ganska liten. En modell skall vara så liten som möjligt, inte mindre, inte större. I komplexa ekosystem är alla mätdata osäkra, liksom alla samband och de flesta ekvationer, och allt kan påverka allt; tusen x-variabler kan påverka den y-variabel man vill prediktera, och miljöbelastningen av den kemiska substansen man studerar är endast en av dessa. Men alla x-variabler är inte lika viktiga för att prediktera y. Ju fler x-variabler man bygger in i sin modell, desto svårare blir modellen att testa och använda, och desto större osäkerhet bygger man in eftersom varje x-variabel inte bara kan tillföra prediktionskraft utan också modellosäkerhet. Utmaningen är således inte att bygga stora modeller, utan modeller av rätt storlek för varje målvariabel. Kan man få fram en modell som fungerar för en substans, som radiocesium, 11
kan man också använda grundstrukturen i den modellen för andra ämnen. Generella processer är t.ex. intransport, uttransport, sedimentation, bioupptag och resuspension. Detta arbete är upplagt så att vi: först ger en kort bakgrund till hoten mot Östersjön, därefter ges en koncentrerad genomgång av grundläggande naturvetenskapliga begrepp och en tillbakablick på Östersjöns historia. Vi redovisar också de parametrar och processer som bestämmer hur Östersjön, dess delbassänger och kustområden svarar på dessa hot, sedan ges en kort genomgång av centrala begrepp som rör massbalansberäkningar av flöden, mängder och koncentrationer av substanser och centrala begrepp i effekt-doskänslighets- och ekosystemmodellering, utifrån detta ger vi sedan en resultatredovisning om närsaltsflöden (främst av fosfor) för att identifiera källorna, vilket är en nödvändig grund för åtgärder som syftar till att reducera närsaltsflöden och ekosystemeffekter kopplade till sådana flöden, sedan ger vi en resultatredovisning och i detta avsnitt ger vi också rekommendationer om vilka åtgärder som kan genomföras och ge önskad effekt, vilket är en grund för att på ett kostnadseffektivt sätt förbättra miljöförhållandena i Östersjön, slutligen vill vi ifrån de resultat som redovisats ge ett klart, enkelt, relevant och genomförbart miljömål för Östersjön. Vi kommer inte att referera till litteratur som i vanliga forskningsrapporter. Där är det mycket viktigt att redovisa vem som tidigare gjort vad för att de egna resultaten skall kunna sättas in i sitt vetenskapliga sammanhang. Istället anger vi viktiga litteraturreferenser i slutet av boken och i anslutning till presenterade figurer och tabeller. Vi kommer heller inte att ge några ekvationer i texten, men eftersom just modeller och ekvationer ligger till grund för alla presenterade simuleringar är detta en viktig del av vårt arbete. Vi skall försöka förklara modellerna och ekvationerna så enkelt och tydligt som möjligt i ord och bild och alla kritiska modelltester som redovisas i vetenskapliga sammanhang har också genomfört i detta sammanhang, men det mesta av det redovisas inte. Detta för att underlätta läsningen, lyfta fram de övergripande resultaten och spara utrymme. Den följande naturvetenskapliga beskrivningen av Östersjöns kusttyper, vattenkemi, vattendynamik, bottendynamik och biologi fokuseras mot faktorer som har stor betydelse för hur vatten, salt, närsalter och gifter sprids i Östersjön. Därefter skall vi behandla grundläggande 12
massbalansmodeller. Massbalansmodeller är inte, som många tror, teoretiska, matematiska konstruktioner, utan det enda redskap som finns för att på ett strukturerat sätt kvantifiera flöden (kg X per tid), mängder (kg X) och koncentrationer (kg X per volymenhet). Effektdos-känslighetsmodeller är redskap för att simulera konsekvenserna av olika åtgärder så att realistiska förväntningar på åtgärderna kan fås för definierade effektvariabler så att de mest optimala åtgärderna sätts in och inte sämre alternativ. Det ideala skulle naturligtvis vara att i detta arbete också kunna genomföra fullständiga kostnads-/nyttoanalyser där effekter på ekosystemets struktur och funktionen sattes i relation till de olika åtgärderna. Att nå det målet ligger naturligtvis bortom våra möjligheter men vi kommer att redovisa några modellsimuleringar som baseras på en ny näringsvävsmodell för Östersjön, som bygger på funktionella grupper av organismer och inte på enskilda arter. 13