Varför fosfor ökar och kväve minskar i egentliga Östersjöns
ytvatten
Ulf Larsson1 och Lars Andersson2
1Institutionen för systemekologi och SMF, Stockholms universitet 2 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 1990-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 2003 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 2003 hade det gått ett decennium sedan de förra stora inflödena som skedde vintern 1993/94 och hösten 1994. Syresituationen förbättrades tillfälligt efter dessa inflöden, men försämrades åter snabbt till den värsta sedan mätningar påbörjades på 1890-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 2003:72), 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. 2). De till mitten av 80-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 2000-talet och vintern 2004 var koncentrationen av fosfat högre än något tidigare år sedan slutet av 50-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. 2), och var 2004 tillbaka till samma nivå som i slutet av 1970-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 2001) visade vi att efter
saltvatteninflödet 1993 minskade vinterkoncentrationen av fosfor i ytvattnet med ca 20 % (fig. 1b), samtidigt som hela vattenmassans förråd av fosfor ökade med över 100 000 ton eller ca 30 % (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 2002 för att därefter abrupt minska efter saltvatteninflödet i januari 2003, som tillförde syrehaltigt djupvatten till egentliga Östersjön. Minskningen i vattenmassan uppskattas till ca 150 000 ton fosfor, ungefär 3 gånger mer än den årliga totala (antropogen+naturlig) fosfortillförseln till egentliga Östersjön. Troligen kommer mínskningen att fortsätta även under 2004, eftersom det syresatta djupvattnet under 2003 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 2003 den sämsta som observerats sedan mätningarna började i mitten av 1890-talet. Syrebrist (< 2mL/L ~ 2.8 mg/L) observerades regelbundet på 70-80 m djup och då och då även svavelväte (fig. 4). När koncentrationen av syrgas sjönk under 1 mg/L denitrifierades på mindre än ett år allt nitratkväve under 100 m djup till oskadlig kvävgas. Därefter började det oorganiska kväveförrådet byggas upp igen, nu i form av ammonium (fig. 5). När saltvatteninflödet våren 2004 nådde Landsortsdjupet halverades medelkoncentrationen av oorganiskt kväve där, samtidigt som ammonium minskade kraftigt och nitratkväve ökade (fig. 6). 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 2003 (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 2004 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. 8). 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 2003, 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, BY15 i östra Gotlandsbassängen, BY31 i norra egentliga Östersjön samt från BY38 i västra
Gotlandsbassängen. Två profiler visas för varje station, en från mars 2001 och en från mars 2004. För Gotlandsdjupet (BY15) 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 (BY38) 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 2004 visas i figur 10. Data från 2004 visas som prickar i förhållande till en medelårscykel för en 10-års period, 1990-1999. 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 1950-talet, samtidigt som salthalten var exceptionellt låg, dvs. salthaltsprångskiktet var svagt (fig, 11). Tillskottet av
syrerikare vatten under våren 2004 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. 12) 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. Figuren visar fosfathaltens avvikelse (µmol/l) vintern 2003/2004 (dec-jan) från det normala (medel 1990-2001).
Fosfat vid Landsortsdjupet (0-10 m)
0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Fosfar µ M
Fig. 1b. Medelkoncentrationen av fosfat i de översta 10 m av vattenmassan vid station BY31 i Landsortsdjupet.
Nitrat vid Landsortsdjupet (0-10 m) 0 1 2 3 4 5 6 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Nitrat µ M
Fig. 2. Medelkoncentrationen av nitrat i de översta 10 m av vattenmassan vid station BY31 i Landsortsdjupet.
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 2001).
Total amounts of nutrients in the Baltic Proper
Year 1994 1996 1998 2000 2002 2004 Tonnes 0 100x103 200x103 300x103 400x103 500x103 600x103 DIP Tot-P Year 1994 1996 1998 2000 2002 2004 Tonnes 0 1x106 2x106 3x106 4x106 5x106 DIN Tot-N Year 1994 1996 1998 2000 2002 2004 Tonnes 0 2x106 4x106 6x106 8x106 Silica
1 31 62 92 122 153 183 213 243 274 304 334 365 395 425 456 486 516
Dagnr (1=2003-01-01)
-400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 -50 0D
ep
th
m
2003
2004
Syre/Svavelväte
Fig. 4. Tidsutvecklingen av syre/svavelväte i vattenmassan vid station BY31 (Landsortsdjupet) under 1993 och till mitten av juni 2004.
Landsort Deep average concentration 100-440 m 0 20 40 60 80 100 120 140 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Year DIP µ g/L 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 NO 2 +NO 3 , NH 4 µ g/L DIP NH4 NO23
Fig. 5. Medelkoncentration av fosfat (DIP), ammonium (NH4) och nitrit+nitrat (NO23) mellan 100 och 440 m djup i Landsortsdjupet (BY31) sedan 1990.
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 NH4 NO23 DIN
Fig. 6. Medelkoncentration av ammonium (NH4), nitrit+nitrat (NO23) och oorganiskt kväve (ammonium+nitrit+nitrat) mellan 100 och 440 m djup i Landsortsdjupet (BY31) sedan 1990.
DIN/DIP vid Landsortsdjupet (0-10 M) 0 2 4 6 8 10 12 14 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005
Fig. 7. Förhållandet (µM/µM) mellan summa oorganiskt kväve (DIN) och fosfat (DIP).
Medelkoncentration av fosfat i maj (0-10m)
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Fosfat µ M
Fig. 8. Medelkoncentration av fosfat i de översta 10 m av vattenmassan vid
Landsortsdjupet (BY31). Värden från och med 1990 baseras på två mättillfällen och före 1990 på ett varför de senare är osäkrare.
Fig. 11 Fig. 12 Fig. 13 Fig. 14
Fig . 9. Figurerna visar vertikalfördelningen av fosfat, vid tre stationer, mars 2001 samt mars 2004. BY15 PO4 µmol/l 0 1 2 3 4 5 6 7 DEPTH m 0 50 100 150 200 250 March 2001 March 2004 BY31 PO4 µmol/l 0 1 2 3 4 5 DEPTH m 0 100 200 300 400 March 2001 March 2004 BY38 PO4 µmol/l 0 1 2 3 4 5 DEPTH m 0 20 40 60 80 100 120 March 2001 March 2004
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 5 10 15 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 5 10 15 20 25 30
STATION BY15 SURFACE WATER
PO4 µmol/l DIN µmol/l
SiO3 µmol/l
Temperature oC Salinity psu
OXYGEN IN BOTTOM WATER
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 O2 ml/l 1985 1990 1995 2000 2005 -8 -6 -4 -20 2 4 6 8 10 O2 ml/l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 50 75 100 125 150 Year O2 saturation % Annual Cycles 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -5 0 5 10 15 20 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 2 4 6 8 10 2004 St.Dev. Mean 1990-1999 Month
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 5 10 15 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 5 10 15 20 25 30
STATION BY31 SURFACE WATER
PO4 µmol/l DIN µmol/l
SiO3 µmol/l
Temperature oC Salinity psu
OXYGEN IN BOTTOM WATER
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -2 0 2 4 6 8 10 O2 ml/l 1985 1990 1995 2000 2005 -2 0 2 4 6 8 10 O2 ml/l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 50 75 100 125 150 Year O2 saturation % Annual Cycles 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -5 0 5 10 15 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 2 4 6 8 10 2004 St.Dev. Mean 1990-1999 Month
Fig. 10. Figurerna visar hur olika parametrar varierat under 2004 i förhållande till en medelårscykel 1990-1999, för tre stationer.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 5 10 15 20 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 5 10 15 20 25 30
STATION BY38 SURFACE WATER
PO4 µmol/l DIN µmol/l
SiO3 µmol/l
Temperature oC Salinity psu
OXYGEN IN BOTTOM WATER
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -2 0 2 4 6 8 10 O2 ml/l 1985 1990 1995 2000 2005 -2 0 2 4 6 8 10 O2 ml/l 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 50 75 100 125 150 Year O2 saturation % Annual Cycles 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 -5 0 5 10 15 20 25 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 2 4 6 8 10 2004 St.Dev. Mean 1990-1999 Month
Salt och syre i djupvattnet (100-440 m) vid BY31 -2 -1 0 1 2 3 4 1950 1970 1990 Syre mL/L 6 7 8 9 10 11 12 Salt Syre Salt
Fig. 11 Medelkoncentrationen av syre och salt i djupvattnet (100-440 m) vid station BY31 i Landsortsdjupet.
Oorganiskt kväve i djupvattnet vid BY31
0 2 4 6 8 10 12 14 1950 1960 1970 1980 1990 2000 Nitri+nitrat, ammonium µ M NH4 NO23
Fig. 12. Medelkoncentrationen av ammonium och nitrit + nitrat i djupvattnet (100-440 m) vid station BY31 i Landsortsdjupet.
