Impact of anthropogenic stressors on the estuarine nitrogen cycle

Abstract

Eutrophication due to excessive nutrient inputs poses a massive threat to water quality and biodiversity in many inland waters and in oceans. Estuaries can significantly alter riverine nutrient loads before they reach adjacent coastal oceans. As nutrient filters, they can either be sinks or additional sources of reactive nitrogen. The biogeochemistry of estuaries and their filter function are strongly affected by anthropogenic impacts and activities. In this thesis, the effects of different stressors on nitrogen retention, nitrogen turnover, and the production of the atmospheric trace gas nitrous oxide were examined in two heavily anthropogenically impacted estuaries in Germany: Elbe and Ems. For the Elbe, the close coupling of river discharge with the riverine nitrogen cycle was shown using long term measurements of nutrient concentrations and nitrate stable isotopes. The riverine nitrogen loads decreased disproportionally to the concurrent reduction in nutrient inputs. This decrease was caused by intensified nitrogen retention in the Elbe River basin and fueled phytoplankton growth under low discharge conditions. At present, decreasing nitrogen inputs and intensified nitrate retention result in nitrate depletion upstream of the Hamburg Port region and an upstream shift in heterotrophic respiration and remineralization processes. In contrast, a reverse effect is seen in the Port of Hamburg: the synergetic effects of enhanced phytoplankton blooms and altered suspended particulate matter dynamics increase nitrate production at low discharges. The spatiotemporal variability of nitrous oxide in the Elbe Estuary revealed the drivers of nitrous oxide production and emissions in estuaries with high agricultural nutrient inputs. The Elbe Estuary is a year-round source of nitrous oxide, with the highest emissions in winter along with high nitrogen loads and wind speeds. However, despite significantly reduced nitrogen loads in spring and summer, nitrous oxide saturations and emissions do not decrease to the same extent during this period. High nutrient loads from agriculture promote phytoplankton blooms, leading to high organic matter availability that fuels nitrification. This leads to year round high nitrous oxide emissions and a decoupling from dissolved inorganic nitrogen loads. In the hyper-turbid Ems Estuary, suspended particulate matter concentrations and the linked oxygen deficits controlled nitrogen turnover and nitrous oxide production. Transect measurements revealed distinct biogeochemical zones along the estuary. High suspended particulate matter loads enhance denitrification but also trigger nitrous oxide production and enhance oxygen-depleted zones. As turbidity decreases, nitrification gains importance. Altogether, this study highlights the synergistic effects of multiple stressors on nitrogen cycling in highly anthropogenically influenced estuaries. Thus, it emphasizes the need for a holistic approach to water quality improvement, nutrient reduction, and sediment management, which must also include possible impacts of climate change.

Eutrophierung aufgrund überhöhter Nährstoffeinträge gefährdet massiv die Wasserqualität und Artenvielfalt in vielen Binnengewässern und Meeren. Dabei können Ästuare die Nährstoffbelastung von Flüssen erheblich verändern, bevor diese die angrenzenden Küstenmeere erreichen. Als Nährstofffilter fungieren sie entweder als Senken oder zusätzliche Quellen für reaktiven Stickstoff. Dabei wird die Biogeochemie der Ästuare und ihre Filterfunktion durch anthropogene Einflüsse und Veränderungen stark beeinflusst. In dieser Arbeit wurden die Auswirkungen verschiedener Stressoren auf die Stickstoffretention, den Stickstoffumsatz und die Produktion des atmosphärischen Spurengases „Lachgas“ in zwei stark anthropogen geprägten Ästuaren in Deutschland untersucht: der Elbe und der Ems. Für die Elbe wurde die enge Kopplung des Durchflusses mit dem aquatischen Stickstoffkreislauf anhand von Langzeitmessungen der Nährstoffkonzentrationen und stabilen Nitratisotopen gezeigt. Bei einer Verringerung der Nährstoffeinträge nahmen die Stickstofffrachten der Elbe überproportional ab. Dieser Rückgang ist zurückzuführen auf einen verstärkten Stickstoffrückhalt im Elbeeinzugsgebiet mit verstärktem Phytoplanktonwachstum bei niedrigen Durchflüssen. Gegenwärtig führen abnehmende Stickstoffeinträge und verstärkter Nitratrückhalt zu niedrigen Nitratkonzentrationen stromaufwärts des Hamburger Hafens, und einer stromaufwärts gerichteten Verlagerung der heterotrophen Respirations- und Remineralisierungsprozesse. Im Hamburger Hafen zeigt sich dagegen ein umgekehrter Effekt: Das Zusammenwirken von der verstärkten Phytoplanktonblüte mit einer veränderten Schwebstoffdynamik erhöht die Nitratproduktion bei niedrigen Durchflüssen. Die räumliche und zeitliche Variabilität der Lachgas Konzentration im Elbeästuar zeigt die Treiber der Lachgasproduktion und -emissionen in Ästuaren mit hohem Nährstoffeinträgen aus der Landwirtschaft. Das Elbeästuar ist eine ganzjährige Lachgasquelle mit den höchsten Emissionen im Winter. Getrieben wird dies durch hohe Stickstofffrachten und hohe Windgeschwindigkeiten. Trotz deutlich reduzierter Stickstofffrachten im Frühjahr und Sommer nehmen die Sättigungen und Emissionen von Lachgas in dieser Zeit jedoch nicht in dem gleichen Maße ab. Hohe Nährstoffeinträge aus der Landwirtschaft fördern hier Phytoplanktonblüten, was zu einer hohen Verfügbarkeit organischen Materials führt, die die Nitrifikation erhöht. Das Ergebnis sind weiterhin hohe Lachgasemissionen und eine Entkopplung von den gelösten anorganischen Stickstofffrachten. Im sehr trüben Emsästuar bestimmen die Schwebstoffkonzentrationen und die damit verbundenen Sauerstoffdefizite den Stickstoffumsatz und die Lachgasproduktion. Transektmessungen machten hier eine deutliche biogeochemische Zoneneinteilung des Ästuars möglich. Die hohen Schwebstofffrachten fördern die Denitrifikation, verstärken aber auch die Lachgasproduktion und die Ausbildung von sauerstoffarmen Zonen. Mit abnehmender Trübung gewinnt die Nitrifikation an Bedeutung. Insgesamt verdeutlicht diese Arbeit das synergetische Zusammenwirken mehrerer Stressfaktoren auf den Stickstoffkreislauf in stark anthropogen beeinflussten Ästuaren. Sie unterstreicht damit die Notwendigkeit eines ganzheitlichen Ansatzes zur Nährstoffreduktion, zum Sedimentmanagement und zur Verbesserung der Wasserqualität, bei dem auch mögliche Auswirkungen des Klimawandels berücksichtigt werden müssen.