Johan Ingri Bottenvikens sediment som ett redskap för att förutsäga ...

SlutrapportBottenvikens sediment som ett redskap för att förutsägaframtida klimatrelaterade miljöförändringar i ÖstersjönProjektnummer: 60-1650/2009Johan IngriInstitutionen för samhällsbyggnad och naturresurserLuleå tekniska universitetLuleå2012-06-211

Bakgrund till projektetEn kommande klimatförändring kommer med all sannolikhet att påverka Östersjöns salthalt, eftersomdenna framför allt styrs av nederbörd/sötvattentillrinning och vattenståndsvariationer i Kattegatt (Gustafsson,2004). Salthalten påverkar indirekt flera biogeokemiska processer i Östersjön, t.ex. bottenvattnets syrehalt,regenerering av näringsämnen (fosfor) från bottensediment och algproduktion (Sohlenius m.fl., 2001). Föratt bättre kunna åtgärda Östersjöns miljöproblem krävs ökad kunskap om hur en klimatförändring kommeratt påverka salthalten, och de indirekta miljöeffekterna av en sådan salthaltsförändring (jfr. Elmgren, 2001).Ett sätt att öka kunskapen om kommande förändringar är att studera de historiska klimat- ochmiljöförändringar som kan spåras genom kemiska analyser av Östersjöns bottensediment. En kommandeklimatförändring resulterar sannolikt i en minskning av Östersjöns salthalt (Omstedt m.fl., 2000). Enliknande utveckling har redan skett i Bottenviken, där salthalten (av geologiska orsaker) har minskat med ca5 promille under de senaste 3000 åren (Widerlund och Andersson, 2011). Genom att använda Bottenvikenssediment som miljöarkiv skulle salthaltsstyrda miljöförändringar som återspeglas i sedimenten kunnaanvändas för att prediktera kommande klimat- och salthaltsstyrda biogeokemiska förändringar i Östersjön.Projektets Huvudhypotes var att den salthaltsminskning som skett i Bottenviken sedan senaste istidenåterspeglas i bottensedimentens kemiska sammansättning. Dessa kemiska förändringar bör då kunnaanvändas för att prediktera eventuella miljöförändringar som kan uppstå i Östersjön, där ensalthaltsminskning kan förväntas som en effekt av ett framtida, nederbördsrikare klimat.Målet var att klargöra om och hur salthaltsminskningen i Bottenviken påverkat sedimentationen avspårmetaller och fosfor samt algproduktionen i vattenpelaren.Övergripande resultatProjektet har tagit fram historiska (ned till 7000 år) huvud-och spårelementdata för Bottenviken, vilkettidigare saknats. Analyserna är direkt användbara för att relatera spårmetallanrikning i dagens sediment medhistoriska koncentrationer. Databasen är helt unik eftersom 6m långa sedimentproppar inte tidigare haranalyserats från Bottenviken.Paleomagnetisk datering av sedimentkärnor i Bottenviken fungerade mycket bra och visar på en praktisktanvändbar dateringsmetod med hög noggrannhet i sediment som liknar Bottenvikens.Projektet visar att zink, barium, C/N kvoten och ∂ 13 C är nyckelindikatorer vid utsötning av en marin bassäng.PublikationerIngri J, Widerlund A, Suteerasak T and Elming S-A (2012) Phosphorus sequestering during freshening of asilled marine basin; role of manganese. (inskickad Chem. Geol.)2

Suteerasak T, Elming S-E , Ingri J and Widerlund A (2012) Palaeomagnetic dating and deposition rates ofHolocene sediments in Bothnian Bay. (manuskript)Suteerasak T, Elming S-E ,I ngri J and Widerlund A (2012) Magnetic signatures and environmental changesrecorded in Holocene sediments in the Bothnian Bay. (manuskript)Ingri J, Widerlund A, Suteerasak T and Elming S-A (2012) Freshening of a marine basin- Effects on tracemetal deposition. (manuscript)BakgrundSedimentprovtagning i Bottenviken utfördes i samarbete med Sveriges Geologiska Undersökning (SGU).Vid provtagningen användes SGU:s forskningsfartyg S/V Ocean Surveyor som har utrustning(Kullenberglod) för provtagningen av de 6 m långa sedimentproppar som analyserades i detta projekt. Datafrån den maringeologiska databasen vid SGU har varit ett nödvändigt underlag för att lokalisera de tre mestlämpliga provtagningslokalerna. På varje provtagningsplats togs en 6 m lång sedimentpropp medKullenberglod, bottenförhållanden dokumenterades med undervattenskamera och ytsedimentet dateradesmed hjälp av Cs-137.För att kunna använda sediment som ett miljöarkiv krävs en tillförlitlig metod att bestämmasedimentationshastigheten. En lovande metod är paleomagnetisk datering (Saarinen, 1994). En undersökningi Östersjön, där sedimentåldrar bestämda med kol-14 metoden och paleomagnetisk datering har jämförts,visar att kol-14-åldrarna är upp till flera hundra år för höga (Sohlenius m fl., 2001). Jämförelsen visar attpaleomagnetisk datering kan vara den enda användbara dateringsmetoden i studier där kustnära sedimentanvänds som historiska miljöarkiv, eftersom kol-14-metodens felmarginal är oacceptabelt stor för denna typav studier.Vid paleomagnetisk datering utnyttjas det faktum att intensitet och riktning av det jordmagnetiska fältetändras kontinuerligt. När magnetiska mineral avsätts på botten av sjöar eller i havet orienterar de sig i detrådande magnetiska fältet, och sedimentet blir ett arkiv där variationer med perioder från några år till 10 000år (sekulära variationer) kan avläsas. Detta arkiv kan läsas med hjälp av paleomagnetiska laboratoriestudier,dvs. riktningen (deklination och inklination) av fältet kan mätas genom demagnetisering och noggrannanalys av magnetiseringen av sedimentet. Åldern av sedimentet fås sedan genom att matcha de uppmättavariationerna i magnetfältet mot en databas med kända åldrar för variationerna. I Norden har tidigare främstsjösediment och varviga leror daterats paleomagnetiskt (e.g Sandgren et al., 1988; Saarinen, 1994). Dessatidigare paleomagnetiska studier i sjöar har sammanställts i en referensdatabas som kallas FENNOSTACK(Snowball m fl., 2007). Åldern för de sediment som nu provtagits i Bottenviken har erhållits genom attmatcha det paleomagnetiska mönstret från dessa sediment med mönstret i referensdatabasen. Precisionen idateringen är ca ±50 år (Koitilainen m fl., 2000), vilket är mycket bra för sediment med åldrar upp till cirka10 000 år.3

DelresultatData visar att utsötningen av Bottenviken har spelat stor roll för oligotrofieringen av Bottenviken.Utsötningen har inneburit förändringar i en rad biogeokemiska processer. Fosforhalten i sedimentet ökadesignifikant för 2500 år sedan (Figur 1).Figur 1. Fördelningen av fosfor och mangan i en sediment från Centrala Bottenviken.Den ökade fastläggningen av fosfor minskade primärproduktionen (oligotrofiering). Bottenviken gick frånett ekosystem som dominerades av planktonproducerat kol till ett system där organiskt kol från land börjadedominera. Detta återspeglas av C/N kvoten och ∂ 13 C i sediment (Figur 2). Halterna av organiskt kol isedimenten bestäms av en kombination av primärproduktionen av alger och nedbrytningen av organisktmaterial (alger) i det avsatta sedimentet. Den historiska primärproduktionen av alger kan bestämmasutgående från sedimentets kolhalt och kvoten mellan kol-kväve-fosfor (Emeis m fl., 2000; Sohlenius m fl.,2001). Isotopsammansättningen av kol och kväve i sedimentets organiska material anses dock vara en merspecifik indikator för historisk algproduktion och trofistatus i akvatiska system (Hodell och Schelske, 1998;Struck m fl., 2000). På grund av isotopfraktioneringen av kol (C) vid fotosyntes anrikas löst oorganiskt kol iytvattnet på den tyngre isotopen 13 C, och en ökad algproduktion återspeglas därför i en anrikning av 13 C isedimentets organiska material. Den primära isotopsignalen i det organiska materialet tycks inte påverkas avprocesser som sker efter sedimentets avsättning (Hodell och Schelske, 1998).4

Figur 2. Fördelningen av organiskt kol och organiska kolkvävekvoter samt kol 13 kvoten.Data visar att zink och barium är tydliga indikatorer för planktonproduktion. Båda dessa grundämnen ärkorrelerade till C/N och ∂ 13 C. Förändringen för zink är markant, från 120 pppm till 80 ppm (Figur 3).Svaveldata i sedimentproppen visar att sulfatreduktion och bildningen av metallsulfider inte börjar förrän påcirka 60 cm djup. Molybden, uran och rhenium visar att bottenvattnet i Bottenviken aldrig varit syrefritt medfri sulfid.Bildningen av ett utpräglat manganrikt ytsediment )(Figur 1) medför att en rad spårmetaller naturligt anrikasi ytsedimentet. Manganoxidhydroxider bildar ett effektivt lock för flödet fosfor och metaller från sedimenttill vatten. Det bildas ett ”manganhjul” (jämför Aller 1994) som snurrar i ytsedimentet. Hjulet hålls igång avoxidation av löst Mn(II), med syre, och reduktion av Mn(IV), med svavelväte. Detta innebär att manganockså påverkar syre och svavelomsättningen i ytsediment och därmed en rad olika spårmetaller. Dennanaturliga anrikning av metaller gör det svårt att utvärdera betydelsen och omfattningen av föroreningar iBottenvikens sediment.5

Figur 3. Fördelningen av zink, barium och bly. OBS! De 3 högsta I sedimentet värderna ärborttagna för att förändringarna ska synas i resten av sedimentet.Bly visar en fördelning i sediment (Figur 3) som dock klart indikerar mänsklig påverkan Detta kan kopplastill romarnas tidiga metallutvinning och visar att långväga luftburna föroreningar kan nå norra Sverige(Renberg, et.al. 1994).Arsenik är det grundämne som visar den högsta anrikningen i sedimentet. Den kraftiga anrikningen kanförklaras med att både järn och mangan finns närvarande i sedimentet (jämför Kuhn och Sigg (1993).Arsenik anrikas främst på järnoxidhydroxider, men adsorptionen sker effektivast när arsenik är i sitt högstaoxidationstal. Oxideringen som krävs utförs av mangan, vilket medför att i manganrika sediment, medjärnoxidhydroxider, är oftast arsenik mer anrikat. Halterna i Bottenviken är därför högre än i Bottenhavettrots att järnhalterna i ytsedimentet är ungefär lika.Kadmium visar en ökande halt för cirka 1000 år sedan mot sedimentytan (Figur 4). En möjlig källa förkadmium kan vara ett ökande inslag från vittringen av Litorinasediment som idag är exponerade och oxiderarpå land.6

Figur 4. Fördelningen av kadmium i sediment från central Bottenviken. Normaliseringenmot uran visar att kadmium är korrelerat med planktonprodulktionen.Nya centrala forskningsfrågor genererade ur detta projekt.1) Höga halter fosfor sitter bundet i ytsediment i Bottniska viken. En sänkning av redoxnivån skullefrigöra fosforn och systemet skulle snabbt bli eutroft. Tröskelvärdet för hur mycket näringsämnen som kantillföras utan att förändra syreförhållandena är okänt. Utbytet av fosfor mellan centrala Östersjön ochBottniska viken är stort. Ungefär 60% av fosforn från Östersjön exporteras till Bottenhavet. Bottenhavet ochBottenviken är idag viktiga sänkor för fosfor. Hur stabila dessa sänkor är för miljöförändringar blir därför enviktig fråga. Eftersom Bottenhavet i stort sett saknar Mn-barriären så är denna bassäng troligen känsligareför förändringar jämfört med Bottenviken.2) Eftersom det är järn-mangan oxidhydroxider som till stor del reglerar utbytet mellan vatten ochsediment blir tillgången av dessa grundämnen central. Källorna för både järn och mangan är på land.Hanteringen av markfrågor kan med andra ord direkt påverka tillflödet av järn och mangan. Kopplingenmellan marktyp-markanvändning och utflödet av järn och mangan är idag lite studerat. Fosfortransporten isötvatteninflödet är också starkt korrelerad till järnoxidhydroxider. Biotillgängligheten av den tillförda7

fosforn är lite studerat. Nya data antyder att fosforn inte är direkt biotillgänglig. Detta kan bero på ettkomplext samspel mellan fosfor-järn-fotoreduktion, en koppling som inte studerats i Östersjön.3) Kadmium visar en stigande trend i sedimentdata från Bottenviken. Inga andra metaller, förutom bly,visar en sådan klar förändring. Kadmium kommer troligen inte från sanma källa som bly. Orsaken tillförändringen kan bero på landhöjningen (exponering av sulfidleror på land) och oligotrofieringen avBottenviken, men mekanismen är inte klarlagd och bör studeras i detalj.REFERENSERAller R.C., 1994. The sedimentary Mn cycle in Long Island Sound: Its role as intermediate oxidant and theinfluence of bioturbation, O 2 , and Corg flux on diagenetic reaction balances. J. Mar. Res. 52, 259–295.Elmgren, R., 2001. Understanding human impact on the Baltic ecosystem: Changing views in recentdecades. Ambio 30 (4–5), 222–231.Emeis, K.-C., Struck, U., Leipe, T., Pollehne, F., Kunzendorf, H., Christiansen, C., 2000. Changes in the C,N, P burial rates in some Baltic Sea sediments over the last 150 years – relevance to P regenerationrates and the phosphorus cycle. Marine Geology 167, 43–59.Gustafsson, B., 2004. Millennial changes of the Baltic Sea salinity. Studies of the sensitivity of the salinity toclimate change. SKB, Technical Report T–04–12.Hodell, D. A., Schelske, C. L., 1998. Production, sedimentation, and isotopic composition of organic matterin Lake Ontario. Limnol. Oceanogr. 43, 200–214.Kotilainen, A. T., Saarinen, T., Winterhalter, B., 2000. High-resolution paleomagnetic dating of sedimentsdeposited in the central Baltic Sea during the last 3000 years. Marine Geology 166, 51–64.Kuhn A., Sigg L 1993. Arsenic cycling in eutrophic Lake Greifen, Switzerland: Influence of seasonalredox processes Limnol. Oceanogr.. 38, 1052-1059Omstedt, A., Gustafsson, B., Rodhe, J., Walin, G., 2000. Use of Baltic Sea modelling to investigate the watercycle and the heat balance in GCM and regional climate models. Climate Research 15, 95–108.Renberg, I., Wik Persson, M., Emteryd, O., 1994. Pre-industrial atmospheric lead contaminationdetected in Swedish lake sediments. Nature 368, 323 – 326.Saarinen, T., 1994. Palaeomagnetic study of the Holocene sediments of Lake Päijänne (Central Finland) andLake Paanajärvi (North-west Russia). Geological Survey of Finland, Bull 376, 1-87.Sandgren, P., Björck, S., Brunnberg, L., Kristiansson, J., 1988. Palaeomagnetic records from two varvedclay sequences in the Middle Swedish ice marginal zone. Boreas, 17, 215-227.Snowball, I., Zillén l., Ojala, A., Saarinen, T., Sandgren, P., 2007. FENNOSTACK and FENNORPIS: Varvedated Holocene palaeomagnetic secular variation and relative palaeointensity stacks for Fennoscandia.Earth and Planetary Science Letters, 255, 106-116.Sohlenius, G., Emeis, K.-C., Andrén, E., Andrén, T., Kohly, A., 2001. Development of anoxia during theHolocene fresh – brackish water transition in the Baltic Sea. Mar. Geol. 177, 221–242.8

Struck, U., Emeis, K.-C., Voss, M., Christiansen, C., Kunzendorf, H., 2000. Records of southern and centralBaltic Sea eutrophication in 13 C and 15 N of sedimentary organic matter. Mar. Geol. 164, 157–171.Widerlund A., Andersson P. S., 2011. Late Holocene freshening of the Baltic Sea derived from highresolutionstrontium isotope analyses of mollusk shells. Geology, 39(2), 187–190.9