Forschung im HLRN-Verbund 2011

64Das Schicksal von Stickstoff und Phosphor in der Ostsee ergründenAusbreitungswege von Nährstoffen und Zeitskalen von Nährstofftransporten in derOstseeH. Radtke, Th. Neumann, Leibniz-Institut für Ostseeforschungan der Universität RostockKurzgefasst• Die Verfügbarkeit von Nährstoffen in der lichtdurchflutetenOberflächenschicht bestimmt dasAlgenwachstum im Meer und beeinflusst damitdie gesamte Nahrungskette bis zum Fisch.• Die Ostsee als Binnenmeer wird stark durchNitrat- und Phosphateinträge aus Flüssen belastet.Starkes Algenwachstum führt in den Tiefenbeckenzu Fäulnisprozessen und der Entstehunggiftigen Schwefelwasserstoffs.• Nährstoffe aus verschiedenen Quellen (Flüssenoder atmosphärischen Einträgen) sind z.B. in Sedimentprobennur teilweise unterscheidbar.• Ein ”Einfärben“ von Stickstoff oder Phosphor, deraus einer bestimmten Quelle (z.B. der Oder)stammt, in einem numerischen Ökosystem-Modell gestattet, sein Schicksal von der Quellebis zur Senke zu verfolgen.• Die Ergebnisse der Simulationsrechnungen helfen,unser Verständnis der räumlichen und zeitlichenAspekte des Stickstoff- und Phosphorkreislaufsin der Ostsee zu verbessern.Die Ostsee ist ein Binnenmeer, das nur überschmale und flache Belte mit der Nordsee verbundenist. Da Niederschlag und Flusseinträge dieVerdunstung übersteigen, ist sie mit Brackwassergefüllt. Salzwasser aus der Nordsee strömt nur abund zu über die flachen Schwellen der westlichenOstsee ein und wandert, da es schwerer ist, nachund nach in die verschiedenen Tiefenbecken.Die Eutrophierung (Düngung) der Ostsee durchNährsalzeinträge aus Landwirtschaft und Siedlungsräumenbewirkt ein starkes Planktonwachstum.Abgestorbene Lebewesen sinken zu Boden,um dort zersetzt zu werden. Allerdings wird durchdiese Mineralisierungsprozesse Sauerstoff verbraucht.Im salzigen Tiefenwasser, das sich nichtmit dem darüberliegenden Wasserkörper mischt,wird so nach und nach aller Sauerstoff aufgezehrt.Es entstehen anoxische Bereiche (sauerstofffreieZonen).Die Reduzierung der Flusseinträge von Nitratund Phosphat ist daher ein international verfolgtesZiel. Allerdings gibt es noch weitere Quellen: Direkteatmosphärische Deposition und den Prozessder Stickstofffixierung. Bei diesem wird von teilweisegiftigen Cyanobakterien ( ”Blaualgen“) Luftstickstoff(N 2 ) biologisch verwertbar gemacht. Daher istein genaues Verständnis des Stickstoff- und Phosphorkreislaufswichtig.Aus welcher Quelle Stickstoff und Phosphorstammen, die von Meereslebewesen aufgenommenund eingelagert werden, lässt sich experimentellnur teilweise bestimmen. Durch die Untersuchungvon Verhältnissen stabiler Isotope (Atomemit verschiedener Neutronenzahl) kann manAussagen über die Herkunft des Stickstoffs gewinnen.Unterschieden werden kann damit zwischenStickstoff aus belasteten Flüssen und Stickstoff,der durch Cyanobakterien fixiert wird. [2] Aber eineUnterscheidung zwischen einzelnen Flüssen istexperimentell nicht möglich und für Phosphor gibtes keine vergleichbare Methode. Daher wird dieseFragestellung mit einem numerischen Modell untersucht.Das Modell besteht aus einem physikalischenund einem biogeochemischen Teil.Als physikalisches Modell (Strömungsmodell)wird das Modular Ocean Model (MOM3) verwendet.Mit einer Auflösung von 3 Seemeilen in der Horizontalenund ein bis drei Metern vertikal wird dieOstsee hierbei in Gitterzellen eingeteilt. Unter Verwendungatmosphärischer Antriebsdaten (Wind,Sonneneinstrahlung etc.) können so die Verteilungvon Temperatur und Salzgehalt und die Strömungsimuliert werden.In das Strömungsmodell eingekoppelt wird einbiogeochemisches Modell (ERGOM). Das Ergebnisist ein Modellsystem, das räumlich aufgelöstwesentliche biologische Prozesse wie z.B. Algenblütenbeschreibt. [1] Dieses IOW-Ökosystemmodellwird für verschiedene Fragestellungen genutzt,so z.B. um mögliche Auswirkungen von Klimaveränderungenauf die Ostsee zu untersuchen.In diesem Projekt wurde das Modell erweitert, sodass Stickstoff und Phosphor je nach ihrer Quelleverschieden ”eingefärbt“ werden können. Als Quellenwerden dabei die fünf Flüsse mit den größtenEinträgen sowie die Stickstofffixierung betrachtet.Das Modell gestattet dann, die Ausbreitung dereingefärbten Elemente räumlich und im Nahrungsnetzzu verfolgen.Die Ergebnisse zeigen die räumlichen Ausbreitungsmusterder Nährsalze. Ein zusätzlicher ”Alterstracer“,der die Zeit zählt, die vergangen ist, seitdas Element in das Ökosystem Ostsee eintrat, gestattetauch, die Verweildauer des jeweiligen Elementsabzuschätzen.Geowissenschaften