Plantekongres, Herning 17 januari 2017 46 Er kvælstof eller fosfor problemet? Fra kvælstofutledning til intern fosforbelastning Anders Stigebrandt Senior professor Göteborgs Universitet
Östersjöns övergödning började på 1950-talet Under 1950-talet hade ännu inga effekter av storskalig övergödning rapporterats från Östersjön. Arealen av syrefria bottnar var liten (syre=ilt). Från ett fåtal observationer framgår att koncentrationen av fosfor (P) i ytvattnet vintertid innan vårproduktionen startade var 5 6 mg/m 3 (Fonselius, 1969). Under 1960-talet ökade arealen av syrefria bottnar. I det syrefria vattnet över de syrefria bottnarna ökade fosforinnehållet mycket mer än vad som kunde ha orsakats av nedbrytning av organiskt material. Fonselius förklarar fenomenet med att fosfor läcker ut från sediment när dessa täcks av syrefritt vatten. Väl ute i vattenmassan kommer fosforn från djupvattnet så småningom upp till ytan och bidrar där till ökad biologisk produktion vilken leder till att syreförbrukningen i djupvattnet ökar. Under 1960-talet ökade fosforinnehållet i Östersjöns ytvatten och de syrefria bottnarna bredde ut sig. Den allmänna meningen fram till 1980-talet var att Östersjöns produktion, precis som produktionen i ferskvand, bestäms av mängden fosfor i ytvattnet vintertid innan vårblomningen startar.
Densitet och syrekoncentration i östra Gotlandsbassängen (BY15) σ T kg m 3 O 2 ml l -1 Syrefritt
Övergödningen av Östersjön har ökat mycket sedan 1950-talet Utbredningen av syrebrist och syrefria bottnar, Hösten 2012 (www.smhi.se) Djupvattenbottnarna i Bornholmsbassängen var koloniserade (bl.a. Macoma Calcarea) fram till början av 1950-talet.
Kvælstof kommer i fokus I en vetenskaplig artikel visar Ryther & Dunstan (1971) att den biologiska växtproduktionen i marina vatten kontrolleras av vattnets kväveinnehåll. Detta demonstreras med småskaliga bag-försök där produktionen mäts efter tillsättning av N (kvælstof) och P (fosfor) var för sig. Artikeln fick en avgörande betydelse för synen på Östersjöns övergödning. I åtskilliga experiment visades att tillsats av N, men inte tillsats av P, gav ökad produktion. En stor majoritet forskare drog slutsatsen att N begränsar den biologiska växtproduktionen i Östersjön och dess kustvatten. Som en följd av detta införde svenska myndigheter krav på reduktion av kväveutsläpp från reningsverk, jordbruk och förbränningsprocesser (särskilt biltrafik). Kvävets negativa roll för miljön blev allmänt känd, inte minst genom miljöundervisning i skolor ner till småskolan. I den svenska TV-såpan Rederiet fick skeppsredare Reidar Dalén miljöpris för att ha infört kväverening på sitt fartyg Freja (1990-talet).
Kvælstoffets roll ifrågasätts En liten grupp forskare fick inte ihop bilden med kvävebegränsning på systemnivå och samtidigt förekommande gigantiska blomningar av cyanobakterier som fixerar kväve och därmed tillför Östersjön stora mängder kväve. Oenigheten bland forskare ledde till att Naturvårdsverket tillsatte en internationell kommitté vilken i sin ursprungliga rapport (hösten 2005) kom fram till att det är fosfor som är begränsande för den biologiska produktionen i Östersjön. Detta var en oerhörd prestigeförlust för Naturvårdsverket. I slutversionen av expertrapporten (Boesch m.fl., 2006) finns också en rekommendation om att man av andra skäl bör fortsätta minska utsläppen av kväve till luft föra att minska kvävenedfallet i Västerhavet. I en rapport (Liljelund, 2006) förklarar Naturvårdsverket att man tagit till sig förslaget att fosfortillförseln till Östersjön bör minskas men att man fortfarande anser det viktigt att minska kvävetillförseln till Östersjön, dock inte så att blomningar av cyanobakterier ökar lokalt pga. kvävebrist orsakad av utsläpp. En analys av storleksordningen av olika kväveflöden till och från Östersjöns vattenpelare visar att kvävereduktionen (främst genom denitrifikation) i Östersjön är ca 1000 000 ton/år medan kvävereduktionen i svenska reningsverk med avlopp till Eg. Östersjön är ca 10 000ton /år, dvs 1% av kvävereduktionen i Östersjön. Det är obegripligt att man satsar stora penningbelopp på en sådan marginell verksamhet vars effekter knappast kan påvisas. Ännu mer obegripligt är det att man dessutom vill öka denna verksamhet genom effektivisering av kvävereningen i svenska reningsverk.
Mattor av cyanobakterier i nordvästra Östersjön år 2005. Cyanobakterier blommar under sommaren när det är fosforöverskott (det saknas kvävenäring)
Eftersom Naturvårdsverket inte ändrade sin inställning till kväverening finns det fortfarande krav på svensk kväverening av vatten som rinner ut i Östersjön. Kravet är föreslaget i Baltic Sea Action Plan (BSAP). BSAP har tonat ner kraven på kväverening men har ökat kraven på fosforrening. Det verkar numera råda relativt stor enighet bland svenska forskare och myndigheter om att det är fosfor som begränsar den biologiska produktionen.
Stig Fonselius beskrev redan under 1960-talet att fosfor kom ut i stor mängd från syrefria bottensediment i Östersjön. Men Fonselius upptäckt ledde inte till någon forskning på Östersjöns fosfordynamik eftersom ledande forskare och myndigheter hade bestämt sig för att Östersjöns övergödning kan kontrolleras med reduktion av kväveutsläpp. I en artikel föreslogs att man skulle kunna minska fosforinnehållet i Eg. Östersjön (Baltic proper) genom att hålla annars syrefria bottnar syresatta (Stigebrandt & Gustafsson, 2007). Inspirationen till detta förslag kom från observationer i Östersjön under perioden 1985 1992 som visade att fosforinnehållet i Östersjön minskade då arean av de syrefria bottnarna minskade. Det blev ett visst tryck i frågan och tack vare bl.a. miljöminister Andreas Carlgren avsattes medel för pilotexperiment med syresättning av djupvattnet i fjordbassänger i både Östersjön och Västerhavet. Undertecknad fick ett stort anslag för att syresätta Byfjorden vid Uddevalla, en fjord vars djupvatten är nära permanent syrefritt. Experimentet beskrivs översiktligt i Stigebrandt et al. (2015).
Årlig extern tillförsel av fosfor (P) till Östersjön har halverats sedan 1985! (Efter Gustafsson et al., 2012) Data efter 2006 är extrapolerade. Men innehållet av P i vattnet ökar efter 1985! Förklaring? Från Stigebrandt et al. A new phosphorus paradigm for the Baltic proper Ambio (2014) Fosforinnehåll (Tot-P, vinterdata) ovan resp. under 60 m djup 10
Tot P under 60 m djup (- - - ) och Arean av syrefria bottnar i egentliga Östersjön ( ) från 1968 till 2010 (från Hansson et al. 2011). Förklaring: Syrefria bottnar utgör P källor! => Syresättning av syrefria bottnar stoppar den interna fosforkällan! Från Stigebrandt et al. Ambio (2014) 11
Fosformodell formulerad av Box-projektet (Stigebrandt et al., Ambio, 2014) Antagande: Intern källa = fs A anox Modellresultat: Här är fs den specifika källan av P från syrefria bottnar och A anox är totala arean av syrefria bottnar. fs = 2.3 ton P km -2 år -1 Resultatet stöds av direkta observationer av flöden ur bottnar som gjorts med s.k. bottenlandarkammare i eg. Östersjön (Viktorsson et al. 2012). Table 1. Externa och interna P-källor till egentliga Östersjön Modellresultat BOX-projektet Den interna källan är nu ungefär 3 gånger större än den externa källan!
150 Total P Källa (kton) Källor Intern Extern Kattegatt 100 50 1955 1980 2005 2030 Tid (År)
Undertecknad och en kollega visade att det finns ett samband mellan ytan av syrefria bottnar och mängden fosfor i Östersjöns vattenpelare. Vi föreslog år 2007 att Östersjöns övergödning kunde hävas genom hålla det syrefria bottenvattnet syresatt, förslagsvis genom att pumpa ner syrerikt vatten från 40 50 m djup. Vi uppskattade att man skulle behöva pumpa ner ca 10 000 m 3 s -1, förslagsvis fördelat på 100 pumpar drivna av flytande vindkraftverk (vardera ca. 1 MW). I ett senare arbete (under review) visas att Östersjön kan restaureras genom att stänga av den interna källan under tillräckligt lång tid så att ytvattnet hinner komma i jämvikt med den externa tillförseln och tillförseln från Kattegatt. Detta tar 10-15 år.
I den senaste budgetpropositionen från svenska regeringen (hösten 2016) nämns särskilt att forskning kring den interna fosforkällan i Östersjön skall prioriteras.
Det är uppenbart att förståelsen för Östersjöns biogeokemi har ändrats och förbättrats. Men metoderna att minska Östersjöns övergödning har inte förändrats i takt med förbättrad förståelse. Den numera bisarra kvävereningen för Östersjön skull finns kvar. Man har ännu inte börjat diskutera restaurering av Östersjön vilken är möjlig eftersom övergödningen nu beror på syrebrist och inte på externa utsläpp. Syreskulden har vuxit sedan 1990-talet. Nya inflöden av djupvatten förmår inte längre att syresätta alla bassänger i Eg. Östersjön. De åtgärder som hittills vidtagits för att häva Östersjöns övergödning har misslyckats.
Referenser Boesch, D., Heckey, R., O Melia, C., Schindler, D., and Seitzinger, S. (2006) Eutrophication of Swedish Seas. Swedish EPA, Stockholm. Report 5509, 67 pp. ISBN 91-620-5509-7. Fonselius, S. H. (1969) Hydrography of the Baltic Deep Basins III. Fishery Board of Sweden, Seeries Hydrography, Report 23, 97 pp. Liljelund, L.-E. (2006) Övergödningen av Sveriges kuster och hav. Naturvårdsverkets ställningstaganden med anledning av en internationell expertutvärdering av kväve/fosfor-problematiken i våra omgivande hav. Naturvårdsverket, Rapport 5587, 38 sid. Ryther, J. H. and Dunstan, W. M. (1971) Nitrogen, phosphorus, and eutrophication in the coastal marine environment. Science, 171, 1008 1013. Stigebrandt, A. and Gustafsson, B.G. (2007) Improvement of Baltic proper water quality using large-scale ecological engineering. Ambio, 36, 280-286. Stigebrandt, A., Rahm, L., Viktorsson, L., Ödalen, M., Hall, P.O.J., Liljebladh, B., 2014: A new phosphorus paradigm for the Baltic proper. Ambio, 43:634-643. Stigebrandt, A., Liljebladh, B., De Brabandere, L. Forth, M., Ganmo, Å., Hall, P.O.J., Hammar, J., Hansson, D., Kononets, M., Magnusson, M., Norén, F., Rahm, L., Treusch, A., Viktorsson, L., 2015: An experiment with forced oxygenation of the deepwater of the anoxic By Fjord, western Sweden. AMBIO, 44, 42-54, DOI: 10.1007/s13280-014-0524-9 De referenser som inte listats här finns i Stigebrandt et al. (2014).