Sauerstoffmangel in der westlichen Ostsee im Sommer und Herbst 2002

Transkript

1 Sauerstoffmangel in der westlichen Ostsee im Sommer und Herbst 2002 Joachim Voß Thorkild Petenati Christian Reimers Jeanette Göbel Volker Schroeren Sauerstoffmangelsituationen sind in der Ostsee, die in der Ozeanografie als ein Brackwassermeer bezeichnet wird, nicht ungewöhnlich. Die hydrographischen Bedingungen im westlichen Teil der Ostsee, das heißt vom Kattegat bis in die Lübecker und Mecklenburger Bucht, führen alljährlich zu einer etwa fünf Monate andauernden horizontalen Schichtung des Wasserkörpers: wärmeres, salzarmes Oberflächenwasser liegt über kälterem, salzreichem Tiefenwasser. Als Folge davon bildet sich in 12 bis 17 Metern Wassertiefe eine sogenannte thermohaline Sprungschicht aus, die den vertikalen Sauerstofftransport verhindert. Im Tiefenwasser, das nicht mehr vom Licht durchflutet ist, laufen dann die Algenabbauprozesse unter Sauerstoffverbrauch ab. Der Umfang der Sauerstoffzehrung ist dabei von der im Frühjahr vorausgegangenen Planktonalgenentwicklung, den sogenannten Algenblüten, abhängig. Diese werden wiederum maßgeblich über die das Wachstum steuernden Nährstoffe wie Ammonium, Nitrat und Phosphat beeinflusst. Extrem hohe Niederschläge, wie sie im Februar/März und Juli 2002 aus den Einzugsgebieten der westlichen Ostsee gemeldet wurden, führten zu höheren Nitratauswaschungen und damit zu einem höheren Nährstoffangebot für das Algenwachstum in den Küstengewässern der westlichen Ostsee. So lagen im März 2002 in der Kieler Außenförde die Nitratkonzentrationen fast doppelt so hoch wie in den Vorjahren. Hydrographische Verhältnisse In unseren Küstengewässern herrschte im August 2002 warmes Sommerwetter vor, mit überwiegend schwachen bis mäßigen östli- Abbildung 1: Salzgehaltsganglinien im Oberflächenwasser der Kieler Außenförde für die Jahre 2000 bis 2002 Kieler Außenförde: Salzgehalte im Oberflächenwasser Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Salzgehalt [psu] 133

2 Kieler Außenförde: Sauerstoffgehalte im Tiefenwasser (19 m) Jan Feb Mrz Apr Mai Sauerstoffgehalt [mg/l] Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Abbildung 2: Ganglinien der Sauerstoffkonzentration im Tiefenwasser (19 m) in der Kieler Außenförde für die Jahre 2000 bis 2002 chen Winden. Die Wassertemperaturen an der Oberfläche stiegen auf über 20 C an und der Salzgehalt war mit 12 PSU 1 relativ niedrig. Dadurch war die sommerliche Schichtung besonders ausgeprägt und bis zum Herbst stabil. In Abbildung 1 sind Salzgehaltsganglinien im Oberflächenwasser an der Station Kleverberg Ost in der Kieler Außenförde für die Jahre 2000 bis 2002 dargestellt. Der bakterielle Abbau der Algenblüten am Meeresboden verursachte eine stark erhöhte Sauerstoffzehrung im bodennahen Wasser, wobei auch giftiger Schwefelwasserstoff auftrat. In Abbildung 2 sind die Ganglinien der Sauerstoffkonzentration in der Kieler Außenförde im Tiefenwasser (bei 19 Meter) für die Jahre 2000 bis 2002 dargestellt. Im Rahmen des Ostseemonitorings führte das LANU mit dem Mess- und Laborschiff Haithabu vom 2. bis 19. September 2002 wieder eine intensive Sauerstoffuntersuchung an mehr als 60 Stellen durch. Die Ergebnisse dieser Messungen zeigen Tabelle 1 und Abbildung 3. Die Sauerstoffgehalte im Meerwasser unterhalb von 20 Metern Tiefe in der westlichen Kieler Bucht, in der Lübecker und Mecklenburger Bucht sowie in den Förden waren mit Werten deutlich unter 2 Milligramm pro Liter äußerst niedrig. Giftiger Schwefelwasserstoff wurde in der Kieler Außenförde bereits Mitte August festgestellt und fand sich jetzt an einigen Messstellen in der Flensburger Förde und in der Mecklenburger sowie Lübecker Bucht. In der Kieler Bucht gab es bei Wassertiefen oberhalb von 18 Metern aber auch noch Gebiete mit mäßigen bis guten Sauerstoffgehalten zwischen 2,0 und 6,8 Milligramm pro Liter. Sinkt der Sauerstoffgehalt im Tiefenwasser unter 2 Milligramm pro Liter ab, wird es für Fische und Bodentiere zunehmend lebensbedrohlich. Abbildung 4 zeigt die Sauerstoffverhältnisse in einem küstenparallelen Schnitt von Flensburg bis vor Travemünde im September Neben der Verteilung der Sauerstoffkonzentrationen in der Wassersäule sind auch die Isolinien für 22 PSU Salzgehalt und 15 C Wassertemperatur dargestellt. Bemerkenswert und in der Abbildung deutlich sichtbar ist, dass im gesamten Küstengebiet der bodennahe Wasserkörper bis hinauf zur thermohalinen Sprungschicht Sauerstoffwerte von weniger als 2 mg/l aufweist. Wenngleich auch in den vorangegangenen Jahren niedrige Sauerstoffgehalte im Spätsommer festgestellt wurden, so war die Sauerstoffsituation im Jahr 2002 noch erheblich schlechter. Mit etwa km² 1 PSU = practical salinity unit, zur Angabe des dimensionslosen Salzgehalts (Gramm Salz pro Kilogramm Wasser), 1 PSU entspricht 1 134

3 Tabelle 1: Sauerstoffgehalte (Milligramm pro Liter) im bodennahen Wasser ( ) Ostseebereich Anzahl Sauerstoff in mg/l Stationen Flensburger Förde 8 <0,2-1,3 Westliche Kieler Bucht (Schleimünde / Damp) 10 0,5-1,8 Eckernförder Bucht 5 <0,2-2,2 Kieler Außenförde 3 <0,2-0,3 Zentrale Kieler Bucht / Hohwachter Bucht 11 <0,2-6,8 Fehmarnbelt Bucht 7 <0,2-1,8 Westliche Mecklenburger Bucht 6 <0,2-1,4 Lübecker / Neustädter Bucht 11 <0,2-1,7 war etwa ein Viertel des überwachten Gebietes vom Sauerstoffmangel betroffen. Die im Herbst einsetzende Abkühlung des Oberflächenwassers und der Einstrom von salzhaltigerem Tiefenwasser aus dem Kattegat hat die Situation ab Mitte Oktober dann wieder entspannt. Aufgrund der Durchmischung das Wasserkörpers gelangte wieder Sauerstoff aus den oberen Schichten in das Tiefenwasser. Mikroalgenentwicklung (Phytoplankton) Die im August in der westlichen Ostsee vorherrschenden ruhigen Schönwetterlagen schufen in Verbindung mit den hohen Nährstoffeinträgen des letzten Winters und den voraus gegangenen Starkregenereignissen im Juli ideale Bedingungen für besonders intensive Algenblüten, wie sie vom Algenfrüherken- Abbildung 3: Sauerstoffkonzentrationen im Tiefenwasser der westlichen Ostsee im September 2002 (Daten: LANU, Sønderjyllands Amt, LUNG M-V) 135

4 Abbildung 4: Sauerstoffkonzentrationen, Salzgehalt (22 PSU-Isolinie, grün) und Temperatur (15 C-Isolinie, gelb) von Flensburg bis Travemünde (September 2002) Kieler Förde, aber auch in anderen Bereichen, wie zum Beispiel nördlich Fehmarns. Abbildung 5 zeigt den unscheinbaren linsenförmigen Dinoflagellaten unter dem Rasterelektronenmikroskop. Bodentierentwicklung (Makrozoobenthos) Abbildung 5: Zweigeißelalge (Dinoflagellat) Prorocentrum minimum. Zellgröße 0,02 mm. nungssystem (AlgFES) des LANU dann auch festgestellt wurden. Dabei wurden in den inneren Förden und Buchten der Ostseeküste die Algenblüten jeweils von unterschiedlichen Mikroalgenarten hervorgerufen. Dominant waren zunächst unterschiedliche Kieselalgenarten. Ab Mitte August stieg das Vorkommen des kleinen Dinoflagellaten Prorocentrum minimum auf über 11 Millionen Zellen pro Liter und führte zu auffälligen rötlichen Wasserverfärbungen, auch Red Tide genannt, in der Parallel zu den Sauerstoffmessungen im September wurden auch Unterwasserbilder vom Boden der Lübecker Bucht aufgenommen. Die sonst hier lebenden Fische waren gänzlich verschwunden und vermutlich in flache Bereiche geflohen. Ein anderes Schicksal ereilte aber die langsamen und festsitzenden Tiere: während bei 16 Metern Wassertiefe noch einiges Leben zu finden war, begann bereits in 18 Meter Tiefe die Todeszone: Schwefelbakterien überzogen Rotalgen und Sediment, es gab tote Seesterne, Würmer und Muscheln (Abbildungen 6 und 7). Hier lagen wie in weiten Bereichen der westlichen Ostsee die Sauerstoffgehalte unterhalb der Nachweisgrenze von 0,2 Milligramm pro Liter Wasser. Auch in den Ergebnissen des Bodentier- Monitorings vom Oktober 2002 sind die großräumigen Folgen des ungewöhnlich starken und langandauernden Sauerstoffmangels eindrucksvoll abzulesen. Auf fast allen 13 Probenahmestationen zeigte sich eine deutliche Abnahme der vorkommenden Arten. In Abbildung 8 werden beispielhaft Artenzahlen der Herbstbeprobung aus der Lübecker/Mecklenburger Bucht gezeigt. Die 15 km südöstlich Staberhuk/Fehmarn gelegene Station MB 2 Mecklenburger Bucht zeigt 136

5 Abbildung 6: Schwefelbakterien (Beggiatoa), Miesmuscheln (Mytilus) und Seesterne (Asterias) bei beginnendem Sauerstoffmangel, September 2002 Abbildung 7: Sterbende Vielborstige Ringelwürmer (Nephtys), September 2002 gegenüber den Vorjahren eine drastische Abnahme auf nur noch fünf Arten, die an Sauerstoffmangelsituationen angepasst sind. Deutlich ist auch der Artenrückgang mit etwa 50 % auf der Station MB 4 Dahmeshöved. Diese Station, etwa 8 km vor der Küste in der nördlichen Lübecker Bucht südlich der Sagasbank gelegen, profitiert bereits ein wenig durch Zuwanderung aus den benachbarten, weniger betroffenen Flachgründen. Nach dem Zusammenbruch deutet sich hier schon eine erneute Verbesserung der Artenvielfalt an. Die teilweise Wiederbesiedlung der geschädigten Lebensräume wird üblicherweise durch Larven aus den ungeschädigten Flachwasserbereichen im Winter/Frühjahr erfolgen. Allerdings wird es mehrere Jahre dauern, bis die Besiedlung eine ähnliche Vielfalt wie vor dem Sauerstoffmangel haben wird. Abbildung 8 veranschaulicht diesen Sachverhalt durch 137

6 Abbildung 8: Anzahl der Bodentierarten jeweils im Herbst im Zeitraum von 1987 bis 2002 auf den Monitoringstationen MB 2 Mecklenburger Bucht und MB 4 Dahmeshöved. Artenzahl Mecklenburger Bucht (MB 2) Dahmeshöved (MB 4) Jahr die nur allmähliche Zunahme der Artenzahlen nach den Einbrüchen 1992 und besonders Ein grenzüberschreitendes Problem Die 2002 beobachtete Sauerstoffschwundsituation trat nicht nur in den schleswig-holsteinischen Küstengewässern auf, sondern nahm ihren Anfang zunächst in den dänischen Gewässern, das heißt im Kattegat und insbesondere in den Gewässern um die Insel Fünen. Dort erreichte sie bezüglich der Ausdehnung und der Dauer eine Größenordnung, wie sie seit über 30 Jahren nicht mehr beobachtet wurde. Auch kam es hier zu ausgeprägten Fischsterben. Unter Federführung des dänischen Instituts NERI (National Environmental Research Institute, Roskilde) wurde für die Helsinki Kommission ein Fachbericht 2 über das Ausmaß des Sauerstoffschwundes in der gesamten westlichen Ostsee erstellt. Hierzu haben auch das Fließgewässer- und das Küstengewässerdezernat des LANU sowie weitere deutsche und schwedische Fachdienststellen Daten aus ihren Monitoringprogrammen geliefert. Die maximale vom Sauerstoffschwund betroffene Fläche der Ostsee wird diesem Bericht zufolge auf km² mit Sauerstoffgehalten unter 4 mg/l geschätzt. Rund km² groß war das Gebiet mit Sauerstoffgehalten unter 2 mg/l. Als Hauptursachen für die ausgedehnte und lang anhaltende Sauerstoffschwundsituation werden im Fachbericht übermäßige, anthropogen verursachte Nährstoffeinträge in Kombination mit verschiedenen natürlichen Ursachen genannt: Hohe Nährstoffeinträge im Februar/März sowie im Juli/August durch hohe Abflüsse aufgrund von Starkregenereignissen und starke Planktonalgenblüten im Frühjahr, Sommer und Herbst. Durch unterdurchschnittlich geringe Windaktivitäten im August/September besonders stabile Schichtung der Ostsee, was den vertikalen aber auch den horizontalen Sauerstofftransport erheblich erschwerte. Die Oberflächenwassertemperaturen lagen im August/September über dem Durchschnitt, was ebenfalls zu Stabilisierung der Schichtung beitrug. Die Bodenwassertemperaturen lagen im August und Oktober über dem Durchschnitt, dadurch war die Sauerstoffzehrungsrate am Boden erheblich erhöht. Im Zeitraum von Juli bis Oktober gab es keine bedeutenden Einstromlagen von salz- und sauerstoffreichem Tiefenwasser aus dem Skagerrak, da die Windaktivität gering war und überwiegend Windrichtungen aus Ost und Süd vorherrschten. 2 G. Aertebjerg et al., in press: The 2002 oxygen depletion event in the Kattegat, Belt Sea and Western Baltic. Helsinki Commission, Baltic Marine Environment Protection Commission,

7 Die genannten Ursachen zeigen, dass neben der Nährstoffzufuhr aus den Einzugsgebieten auch klimatische Faktoren das Ausmaß des saisonalen Sauerstoffmangels in der Ostsee mit beeinflussen. Der HELCOM-Bericht kommt zu dem Schluss, dass eine Reduzierung der Nährstoffeinträge dringend erforderlich ist, um die Wahrscheinlichkeit derart großräumiger und schwerer Sauerstoffmangelsituationen wie im Sommer und Herbst 2002 zu verringern. Klar ist aber auch, dass aufgrund der besonderen Hydrographie des Brackwassermeeres Ostsee klimatische Variationen und Randbedingungen, wie im Ausnahmejahr 2002, nicht beherrscht werden können. Dennoch ist es wichtig, durch Verminderung der Nährstofffrachten die Wiederholungsraten katastrophalen Sauerstoffmangels deutlich zu verringern. Dabei sind regional Phosphoreinträge aus diffusen und Punktquellen bedeutsam. Hauptprobleme bereiten aber nach wie vor die verschiedenen Stickstoffverbindungen, deren Hauptquellen in der westlichen Ostsee heutzutage in den diffusen Quellen überwiegend aus der Landwirtschaft und im atmosphärischen Eintrag zu suchen sind. Summary In 2002 a widespread oxygen depletion situation was observed in the Western Baltic Sea. Measurements of salinity and oxygen concentrations on a monitoring station in Kiel Fjord are presented for the last three years to compare the hydrografic situation in The results of a special oxygen cruise in the Western Baltic carried out in September and covering more than 60 stations between Flensburg Fjord and Lübeck Bight are illustrated on a map showing that the oxygen concentration on most of the sampling sites in September was below 2 mg/l. The phytoplankton development showed that the dinoflagellat Prorocentrum minimum was dominating in August which caused a red tide situation. Submarine video recordings in Lübeck Bight showed that fish had completely escaped below 18 meters water depth and makrozoobenthos had died out. In danish waters there was an even more critical oxygen depletion situation and a co-operation between german, danish and swedish experts was established to reflect the reasons and the extent of this event. Under the direction of the danish National Environmental Research Institute (NERI) a special oyxgen report was released to the Helsinki Commission. Besides of climatic factors and stormwater overflow the still high nutrient emission from diffuse sources is the main reason for oxygen depletion in the Western Baltic in almost every year. Alle AutorInnen: Dezernat 46 - Küstengewässer Dr. Joachim Voß Tel.: / jvoss@lanu.landsh.de Thorkild Petenati Tel.: / tpetenat@lanu.landsh.de Dr. Christian Reimers Tel.: / hreimers@lanu.landsh.de Jeanette Göbel Tel.: / jgoebel@lanu.landsh.de Volker Schroeren Tel.: / vschroer@lanu.landsh.de 139