Pelagic nutrient cycling and CO2 emissions in the northern and southern Benguela Upwelling System

Abstract

Since the beginning of the industrial revolution that led towards major global shifts in the atmospheric carbon dioxide (CO2) concentration, the ocean is considered to be a significant sink for atmospheric CO2. The Benguela Upwelling System (BUS) off the southwest coast of Africa belongs to one of the four main Eastern Boundary Upwelling Systems (EBUS) which represent highly dynamic regions of enhanced air-sea gas exchange, while supporting high transfer rates of carbon into the ocean and sediments, processes ascribed to the biological carbon pump. However, with a lack of data and knowledge of processes governing mechanisms responsible for CO2 flux dynamics, the understanding of CO2 emissions and carbon sequestration in the BUS remains elusive. The focus of this dissertation was set upon improving current perceptions on carbon sequestration by investigating CO2 sources and sinks within the BUS and underlying drivers influencing the biological carbon pump's efficiency, while shedding light on methodological strategies to address the present and future of CO2 emissions in the BUS. Within the framework of the TRAFFIC project, two expeditions were carried out to the BUS in 2019 and 2021 to obtain in-situ measurements of the water column and sea surface characteristics comprising of e.g., dissolved inorganic carbon (DIC), sea surface partial pressure of CO2 (pCO2(sw)) and particulate organic matter (POM). Together with the Surface Ocean CO2 Atlas SOCAT and in-situ shipboard measurements over the past two decades, a pCO2(sw) climatology was established to outline the air-sea gas exchange on a seasonal resolution for the NBUS and SBUS. As a result, both subsystems displayed elevated pCO2(sw) above atmospheric concentrations and outgassing of CO2 in close proximity to the coast as a consequence of the upwelled CO2-enriched water masses and their warming towards the surface region. In the NBUS, the impact of surface warming on pCO2(sw) exceeds the effect of biologically-mediated CO2 uptake, causing the NBUS to function as a CO2 source to the atmosphere, with an outgassing rate of 15.64 (-2.95 - 73.16) Tg C year-1. In contrast, the biologically-mediated CO2 uptake within the SBUS compensates for the increase in pCO2(sw) and initial outgassing of CO2 due to surface warming, turning the SBUS into a sink for atmospheric CO2 with an uptake rate of -2.94 (-4.5 - 3.58) Tg C year-1. The source and sink function of the respective subsystem is thereby enhanced during intensified winds prevailing during the respective upwelling season of the subsystem. The CO2 sink within the SBUS is thereby substantiated by a relatively higher share in preformed nutrient concentrations within the upwelled source water mass. Preformed nutrients refer to biologically-unused nutrients originating from high southern latitude regions, from where they were transferred into the ocean interior as part of the intermediate and mode water formation before being upwelled again into the sea surface across lower latitude regions such as the BUS. Here, preformed nutrient consumption could compensate for the missed opportunity in biologically-mediated CO2 uptake within the Southern Ocean. Indeed, according to calculated new production rates - which describes biomass produced based on upwelled nutrients - on the basis of preformed nutrients of ~22 - 75 Tg C year-1, their utilization in the BUS compensates for 20 - 68% of the natural CO2 outgassing within the Atlantic sector of the Southern Ocean (~110 Tg C year-1). The results highlight the global importance of the BUS as a significant hub for restoring the biological carbon pump's efficiency in carbon sequestration. In this regard, the biologically-mediated CO2 uptake can be altered through changes in stoichiometric ratios, as they affect the proportion of carbon assimilated relative to nitrogen (N) and phosphorus (P). With an average C:N:P ratio of 87 +/-6 : 13 +/-3 : 1 found within the BUS according to sampling during the two TRAFFIC cruises, new production rates based on preformed nutrients were calculated and compared to the aforementioned new production rates based on the classic Redfield ratio (106:16:1) to outline the impact of altered nutrient stoichiometry. As a result, CO2 uptake rates would decrease by 17% and 13% within the South African and Namibian territory, respectively, highlighting the need to account for stoichiometric ratio variabilities during CO2 flux investigations. Another aspect that has been investigated as part of the dissertation deals with the impact of anthropogenic perturbations of sediments through bottom-trawling as a commonly applied fishing technique in the BUS. Hereby, the dragging of trawl gears over the seafloor promotes sediment resuspension, which can lead to POM remineralization and release of DIC (here: benthic CO2 efflux) and nutrients into the water column. Using published benthic CO2 efflux rates and model simulations, the impact of bottom-trawl fishery on carbon and nutrient pathways were investigated within the NBUS and SBUS. The results imply a trawl-induced release of 4.35 and 0.64 Tg C year-1 as DIC into the upwelling source waters overlying the bottom shelf region within the NBUS and SBUS, respectively, with an associated increase in N concentrations by ~5% and ~2%. Although trawl-induced N input into upwelling waters could enhance new production by 2.22% in the SBUS and 5.25% in the NBUS, only 2/3 of CO2 released in the course of bottom-trawling could be assimilated back into biomass as a result of stoichiometric ratio differences between the sediment (~9) and surface biomass (Redfield, 6.6). The remaining 1/3 of benthic CO2 emissions lead to an additional increase in pCO2(sw), causing ~1 Tg C year-1 to be emitted into the atmosphere, thereby increasing the CO2 source of the NBUS by 6.5%, while lowering the CO2 sink of the SBUS by ~10%. In view of methodological strategies to address present and future CO2 emissions within the BUS, moored observing buoys, with conjunctional measuring devices would prove to be most beneficial in order to monitor changes in the biological carbon pump and solubility of CO2 in the course of surface warming. Hereby, key parameters include pCO2(sw), stoichiometric ratios, nutrient concentrations and hydrographic parameters on e.g. temperature, salinity and oxygen. The calculation of CO2 fluxes within the NBUS and SBUS thereby requires knowledge on the average cross-shelf pCO2(sw), which could be achieved using Machine Learning methods as a cost-effective strategy to predict pCO2(sw) across latitudinal and longitudinal scales. Testing nonlinear-based regression algorithms resulted in reasonable pCO2(sw) predictions throughout the NBUS and SBUS which can be used in reconstructing pCO2 maps for assessing spatiotemporal patterns of air-sea CO2 exchange and future of the BUS's sink for atmospheric CO2.

Seit Beginn der industriellen Revolution, die zu großen globalen Veränderungen der atmosphärischen Kohlenstoffdioxid (CO2)-Konzentration führte, gilt der Ozean als bedeutende Kohlenstoffsenke. Das Benguela-Auftriebssystem (BUS) vor der Südwestküste Afrikas gehört zu den vier großen Auftriebssystemen (Eastern Boundary Upwelling Systems, EBUS), die hochdynamische Regionen mit verstärktem Gasaustausch zwischen Luft und Meer darstellen und gleichzeitig hohe Raten des Kohlenstofftransfers in den Ozean und die Sedimente ermöglichen - Prozesse, die der biologischen Kohlenstoffpumpe zugeschrieben werden. Da es jedoch an Daten und Kenntnissen über die für die CO2-Flussdynamik verantwortlichen Prozesse mangelt, bleibt das Verständnis der CO2-Emissionen und der Kohlenstoffbindung im BUS schwer fassbar. Der Schwerpunkt dieser Dissertation lag auf der Verbesserung der derzeitigen Erkenntnisse über die Kohlenstoffbindung durch die Untersuchung der CO2-Quellen und -Senken im BUS und der zugrunde liegenden Faktoren, die die Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe beeinflussen. Zusätzlich wurden methodische Strategien zur Analyse der gegenwärtigen und zukünftigen CO2-Emissionen im BUS aufgezeigt. Im Rahmen des TRAFFIC-Projekts wurden 2019 und 2021 zwei Expeditionen in das BUS durchgeführt, um in-situ Messungen entlang der Wassersäule und Meeresoberfläche durchzuführen, z. B. zum gelösten anorganischen Kohlenstoff (DIC), CO2-Partialdruck an der Meeresoberfläche (pCO(sw)) und zum partikulären organischen Material (POM). Zusammen mit dem CO2-Oberflächenatlas SOCAT und schiffsbasierten in-situ Messungen während der letzten zwei Jahrzehnte wurde eine pCO2(sw)-Klimatologie erstellt, um den Gasaustausch zwischen Luft und Meer mit einer saisonalen Auflösung für das NBUS und SBUS zu erläutern. Das Ergebnis war, dass beide Subsysteme erhöhte pCO2(sw)-Konzentrationen über der der Atmosphäre und Ausgasungen von CO2 in Küstennähe aufwiesen, was auf die aufgestiegenen CO2-angereicherten Wassermassen und deren Erwärmung in Richtung Oberfläche zurückzuführen ist. Im NBUS übersteigt der Einfluss der Oberflächenerwärmung auf pCO2(sw) den Effekt der biologischen CO2-Aufnahme, so dass das NBUS als CO2-Quelle für die Atmosphäre fungiert, mit einer Ausgasungsrate von 15.64 (-2.95 - 73.16) Tg C Jahr-1. Im Gegensatz dazu kompensiert die biologische CO2-Aufnahme innerhalb des SBUS den Anstieg von pCO2(sw) und die anfängliche Ausgasung von CO2 aufgrund der Oberflächenerwärmung und macht das SBUS zu einer Senke für atmosphärisches CO2 mit einer Aufnahmerate von -2.94 (-4.5 - 3.58) Tg C Jahr-1. Die Quellen- und Senkenfunktion des jeweiligen Subsystems wird bei verstärkten Winden während der jeweiligen Auftriebszeit der Region verstärkt. Die CO2-Senke innerhalb des SBUS wird dabei durch einen relativ höheren Anteil an Konzentrationen von preformed nutrients innerhalb der aufgetriebenen Quellwassermasse begründet. Bei den preformed nutrients handelt es sich um biologisch ungenutzte Nährstoffe aus hohen südlichen Breiten, die von dort im Rahmen der Intermediate- und Modewater Bildung in das Ozeaninnere verlagert wurden, bevor sie in Regionen niedrigerer Breiten wie dem BUS wieder an die Meeresoberfläche aufgetrieben werden. Hier könnte die Nutzung von preformed nutrients die verpasste Gelegenheit zur biologischen CO2-Aufnahme im Südlichen Ozean ausgleichen. Nach den berechneten neuen Produktionsraten - die auf Grundlage auftreibender Nährstoffe produzierte Biomasse - auf der Basis der preformed nutrients von ~22-75 Tg C Jahr-1 kompensiert deren Nutzung im BUS 20-68\% der natürlichen CO2-Ausgasung im atlantischen Sektor des Südlichen Ozeans (~110 Tg C Jahr-1). Diese Ergebnisse unterstreichen die globale Bedeutung des BUS als wichtige Drehscheibe für die Wiederherstellung der Effizienz der biologischen Kohlenstoffpumpe. In diesem Zusammenhang kann die biologische CO2-Aufnahme durch Änderungen der stöchiometrischen Verhältnisse verändert werden, da diese den Anteil des assimilierten Kohlenstoffs im Verhältnis zu Stickstoff (N) und Phosphor (P) beeinflussen. Bei einem durchschnittlichen C:N:P-Verhältnis von 87 +/-6 : 13 +/-3 : 1, das bei den Probenahmen während der beiden TRAFFIC-Fahrten im BUS festgestellt wurde, wurden neue Produktionsraten auf der Grundlage von preformed nutrients berechnet und mit den oben genannten neuen Produktionsraten auf der Grundlage des klassischen Redfield-Verhältnisses (106:6:1) verglichen, um die Auswirkungen einer veränderten Nährstoffstöchiometrie zu skizzieren. Infolgedessen würden die CO2-Aufnahmeraten im südafrikanischen bzw. namibischen Gebiet um 17 bzw. 13% sinken, was die Notwendigkeit unterstreicht, bei Untersuchungen des CO2-Flusses Schwankungen des stöchiometrischen Verhältnisses zu berücksichtigen. Ein weiterer Aspekt, der im Rahmen der Dissertation untersucht wurde, befasst sich mit den Auswirkungen anthropogener Störungen der Sedimente durch die Grundschleppnetzfischerei, eine im BUS häufig angewandte Fischfangtechnik. Dabei fördert das Schleppen von Schleppnetzen über den Meeresboden die Resuspension von Sedimenten, was zur Remineralisierung von POM und zur Freisetzung von DIC (hier: benthischer CO2-Efflux) und Nährstoffen in die Wassersäule führen kann. Anhand von veröffentlichten benthischen CO2-Abflussraten und Modellsimulationen wurden die Auswirkungen der Grundschleppnetzfischerei auf die Kohlenstoff- und Nährstoffflüsse im NBUS und SBUS untersucht. Die Ergebnisse implizieren eine schleppnetzinduzierte Freisetzung von 4.35 und 0.64 Tg C year-1 als DIC in das Auftriebswasser innerhalb des NBUS bzw. SBUS, mit einem damit verbundenen Anstieg der N-Konzentrationen um ~5% und ~2%. Obwohl der durch die Schleppnetze verursachte N-Eintrag in die Auftriebsgewässer die Neuproduktion um 2.22% im SBUS und 5.25% im NBUS steigern, werden nur 2/3 des durch die Schleppnetze freigesetzten CO2 aufgrund der Unterschiede im stöchiometrischen Verhältnis zwischen dem Sediment (~9) und der Oberflächenbiomasse (Redfield, 6.6) wieder in Biomasse assimiliert. Das verbleibende 1/3 der benthischen CO2-Emissionen führt zu einem zusätzlichen Anstieg von pCO2(sw), wodurch ~1 Tg C Jahr-1 in die Atmosphäre emittiert werden, was die CO2-Quelle des NBUS um 6.5% erhöht, während die CO2-Senke des SBUS um ~10% sinkt. Im Hinblick auf methodische Strategien zur Bewältigung gegenwärtiger und künftiger CO2-Emissionen im BUS würden sich verankerte Beobachtungsbojen mit zusätzlichen Messgeräten als äußerst vorteilhaft erweisen, um Veränderungen der biologischen Kohlenstoffpumpe und der Löslichkeit von CO2 im Zuge der Oberflächenerwärmung zu überwachen. Zu den Schlüsselparametern gehören dabei pCO2(sw), stöchiometrische Verhältnisse, Nährstoffkonzentrationen und hydrographische Parameter wie Temperatur, Salzgehalt und Sauerstoff. Die Berechnung der CO2-Flüsse innerhalb des NBUS und SBUS erfordert daher die Kenntnis des durchschnittlichen schelfübergreifenden pCO2(sw), was mit Hilfe von Methoden des maschinellen Lernens als kosteneffiziente Strategie zur Vorhersage von pCO2(sw) erreicht werden könnte. Die Erprobung nichtlinearer Regressionsalgorithmen führte zu plausiblen pCO2(sw)-Vorhersagen für das BUS, die zur Rekonstruktion von pCO2-Karten und Untersuchung von räumlich-zeitlichen Mustern des CO2-Austauschs zwischen Luft und Meer und Zukunft der CO2-Senke des BUS verhelfen.