Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Nr. 323: Sammenhænge i det marine miljø - Betydning af sedimentændringer

Høgslund, S., Carstensen, J., Krause-Jensen, D. & Hansen, J.L.S. 2019. Sammenhænge i det marine miljø - Betydning af sedimentændringer. Aarhus Universitet, DCE – Nationalt Center for Miljø og Energi, 74 s. - Videnskabelig rapport nr. 323.  http://dce2.au.dk/pub/SR323.pdf

Sammenfatning

Denne rapport er udarbejdet for miljøstyrelsen og indgår som en del af projektet ”Sammenhænge i det marine miljø – andre presfaktorer end næringsstoffer”. Rapporten beskriver hvordan ændringer i sedimentets puljer af C, N og P påvirker centrale biologiske kvalitetselementer i danske kystvande. Rapporten bygger på data indsamlet i forskningsprojekter og i nationale overvågningsprogrammer, på modelberegninger og gennemgang af videnskabelig litteratur.

Gennemgang af publicerede målinger af sedimentkarakteristika og overvågningsdata viste, at der ikke er tilstrækkelig data til at kvantificere ændringer i sedimentkarakteristika på vandområdeniveau i danske kystvande. Analyse af overvågningsdata fra de to perioder, 1999-2003 og 2017-2018, viste et signifikant fald i indholdet af organisk materiale og total kvælstof på stationen i det Sydfynske Øhav. Udover dette var der ingen signifikante ændringer i sedimentkarakteristika på dybdeintegrerede puljer eller i de enkelte sedimentdybder.

Sedimentet modtager næringsstoffer bundet i det organiske stof, der sedimenterer på havbunden. Her omsættes det organiske materiale og nogle næringsstoffer frigives igen til vandsøjlen. Dynamikken i denne ”interne belastning” med næringsstoffer afhænger således i høj grad af organisk stoftilførsel til sedimentet og omsætteligheden af det tilførte organiske stof. Modellering af sediment-biogeokemien i Aarhus Bugt viste, at en reduktion i tilførslen af organisk materiale til sedimentet på 38% leder til et fald over 10 år i den interne N belastning på 40 % i sommer- og efterårsperioden. Faldet kan nedsætte væksten af planteplankton i vandsøjlen, da vandsøjlens primærproduktion især er afhængig af interne (recirkulerede) næringsstoffer i denne periode af året.

Den primære kilde til N fra sedimentet er ammonium, og det er ændringerne i frigivelsen af ammonium, der driver de kvantitativt vigtigste ændringer i den interne N belastning. Ammonium frigivelsen er i høj grad bestemt af omsætningen af de labile- og refraktære organiske stofpuljer i sedimentet. Derfor sker den største påvirkning af den interne belastning i løbet af de første 4 år, efter der sker ændringer i sedimentpuljerne.

De omsættelige organiske stofpuljer er også bestemmende for fosfat frigivelsen fra sedimentet, der falder i takt med at puljerne omsættes. Samtidig bevirker de ændrede redoxforhold i sedimentet, at puljen af jernbundet fosfat i sedimentet stiger, og hvis denne pulje reduceres i forbindelse med iltsvind, vil det give anledning til periodevis øget frigivelse af fosfat til bundvandet.

Sedimentets iltoptag og svovlbrintefrontens dybde ændres umiddelbart og i takt med ændring af organisk stofindhold i sedimentet. Et fald i organisk stofindhold leder til et mindre iltoptag og en dybere position af svovlbrintefronten. Ændringer sedimentets puljer af organisk stof ændrer redoxforholdene i sedimentet, og modelberegningerne for Aarhus Bugt viste, at det tager flere årtier (>40 år) før forhold, der væsentligst er styret af redoxkemien, stabiliseres på nye niveauer. Det gælder både iltoptag, der har betydning for iltforholdene i bundvandet, og svovlbrinteindholdet i sedimentet.

Kemiske sedimentparametre som organisk stofindhold, iltforhold og svovlbrinteforhold har stor effekt på bundfauna og ålegræs.

Sedimentets svovlbrinteindhold har betydning for bundfaunasamfundet gennem direkte toksiske effekter og indirekte effekter på habitatkvaliteten. Analyse af data fra det nationale overvågningsprogram og målinger foretaget i forbindelse med et omfattende forskningsprojekt dokumenterer her, hvordan ændringer i svovlbrintefrontens dybde direkte indvirker på DKI indekset, der beskriver bundfaunaens økologiske tilstand. Påvirkningen kan dokumenteres både i kystnære sedimenter og i åbne farvande. Relationen kan bedst beskrives med en mætningsfunktion, således at ændringer i svovlbrintefrontens dybde har forholdsvis lille indflydelse på bundfaunaens diversitet, så længe ændringen foregår dybt nede i sedimentet. Eksempelvis vil man forvente en ændring i DKI med 10-20 % ved en ændring i svovlbrintefrontens position fra 5 cm til 3 cm dybde i åbne farvande, mens effekten øges til omkring 50 %, hvis positionen ændres fra 3 cm til 1 cm dybde.

Modellering af sediment-biogeokemien i Aarhus Bugt bekræfter, at sedimentets svovlbrinteindhold påvirkes både af nuværende og forhenværende eutrofieringsforhold, og denne parameter kan være en mere følsom indikator for det eutrofieringsrelaterede pres, der måtte være på bundfaunaen end fx iltsvindshyppighed.

Sedimentændringer kan overordnet drives af ændringer i den organiske stoftilførsel, af ændringer i aflejring og resuspensionsforhold, og ændringer i havbundens flora og fauna. Da havbundens flora og fauna også påvirkes af sedimentforholdene, er der desuden en vigtig vekselvirkning mellem sedimentkarakteristika, faunaaktiviteter og bundvegetation.

Bundfaunaen ilter sedimentet og har en vigtig funktion i stofudvekslingen mellem sedimentets mere eller mindre oxiderede/reducerede zoner. Faunaen bidrager på den måde til at holde svovlbrinte væk fra sedimentoverfladen og pumpe ilt længere ned i sedimentet, end det sker ved diffusion fra bundvandet.

Den gensidige interaktion mellem svovlbrinteindhold og bundfaunaaktivitet bevirker, at presfaktorer, der fx påvirker bundfaunasamfundets evne til at ventilere sedimentet, indirekte kommer til at påvirke sedimentets svovlbrinteforhold og dermed egnethed som habitat både for bundfauna og ålegræs.

Den videnskabelige litteratur dokumenterer en ikke-lineær sammenhæng mellem ålegræssets dybdegrænse og sedimentkarakteristika. Når bestemte tålegrænser overskrides, er der en negativ effekt fra organisk rige sedimenter på ålegræssets dybdegrænse. Det skyldes bl.a. forringede forankringsmuligheder for ålegræsset. Effekter af sedimentkarakteristika på ålegræssets udbredelse underbygges i flere modelstudier i danske fjorde, og modellering af sediment-biogeokemien understreger, at en reduktion i tilførslen af organisk stof til sedimentet kun langsomt forplanter sig til sedimentets samlede organiske stofpulje, der har betydning for sedimentets fysiske karakteristika og ålegræssets forankringsmuligheder.

Ændringer i ekstern næringsstoftilførsel påvirker tilførslen af organisk materiale til sedimentet og leder til ændringer i sedimentets C, N og P puljer. Disse ændringer påvirker direkte de biologiske kvalitetselementer knyttet til bundfauna, herunder DKI indekset, og ålegræssets vækstforhold. Ændringer i sedimentets puljer påvirker også den interne belastning og dermed næringsstoftilgængeligheden og vækstforholdene for vandsøjlens planteplankton.