Nitrogen cycling in the southern North Sea - Assessment by stable isotopes

Abstract

The Southern North Sea today receives massive anthropogenic inputs of reactive nitrogen, leading to oxygen depletion, changes in species composition of the ecosystem and algal blooms. All of these phenomena are linked to eutrophication. Currently, efforts are made to reduce these nutrient loads to prevent further negative consequences on the German Bight. In this thesis I use the nitrogen isotopic signature to investigate both sources and turnover processes of reactive nitrogen in the continuum from the river via the estuary to the coastal ocean. In all datasets show visible that isotope signatures can be used as a tracer for anthropogenic nitrogen inputs. This work can be subdivided into three sections that treat different environments of the German Bight ecosystem, subdivided in the Chapters 2, 3 and 4: The first part discusses the riverine signal in agricultural watersheds (Chapter 2). The data from five German rivers discharging into the German Bight show that the overall isotope signatures are elevated – mainly attributed to runoff from agricultural land – but also show a distinct seasonality accounted for by biological processing in the rivers and their catchment area. In Chapter 3 the role of this elevated isotope signal as a tracer for historical changes in nitrogen inputs is investigated by using the signal from sediment cores as a gauge for pre-industrial inputs of reactive nitrogen. Isotope values of surface sediments and dated sediment cores from the Skagerrak, the main depositional centre of German Bight sediments, and the Kattegat, a more enclosed basin receiving high amounts of terrestrial run-off, are compared. In the Kattegat sediments exhibit progressive enrichment in nitrogen isotopes over time, whereas data from the Skagerrak do not show such enrichment, suggesting that large portions of isotopically enriched riverine nitrogen are denitrified in estuaries and shallow waters of the German Bight before reaching this depositional centre. The role of estuaries is more closely examined in Chapter 4, where seasonal gradients in the Elbe estuary are sampled to provide evidence of internal nitrate processing. Isotopic values suggest that hardly any turnover takes place in the estuary, which is contrasted by historical data. Apparently, the estuarine function has changed drastically over the last decades, turning the Elbe estuary from a significant nitrate sink into a source of nitrate to the German Bight. Altogether, the data provide additional insights on nitrogen turnover processes in the coastal zone and stress the importance of further measurements to evaluate the eventual fate of anthropogenic nitrogen entrained to the German Bight and its depositional centres.

In die Deutsche Bucht werden große Mengen an anthropogenem Stickstoff eingetragen, was zu zunehmender Eutrophierung führen kann. Anzeichen dafür sind die Entwicklung von Sauerstoffminima, Änderungen in der Artenzusammensetzung und zunehmende Algenblüten. Neuerdings wird verstärkt versucht, die Stickstoffeinträge zu reduzieren, um weitere negative Konsequenzen für das Ökosystem der Deutschen Bucht zu vermeiden. In der vorliegenden Arbeit werden anhand der Isotopensignatur des Stickstoffs Quellen und Umsetzungsprozesse für reaktive Stickstoffspezies im Kontinuum vom Fluss über das Ästuar zum Küstengewässer untersucht. Die vorliegenden Daten zeigen, dass man durch das Stickstoffsignal auf anthropogene Einflüsse schließen kann. Diese Arbeit gliedert sich in drei Teile, die Kapitel 2 bis 4, die unterschiedliche Aspekte des Ökosystems der Deutschen Bucht untersuchen: Im ersten Abschnitt wird das Hintergrundsignal verschiedener Flüsse mit landwirtschaftlich geprägtem Einzugsgebiet untersucht (Kapitel 2). Die Daten aus fünf in die Deutsche Bucht einmündenden Flüssen zeigen, dass die Isotopenwerte insgesamt erhöht sind, was hauptsächlich auf Einträge aus der Landwirtschaft zurückzuführen ist. Im jahreszeitlichen Verlauf erkennt man aber auch eine Abhängigkeit von biologischen Umsetzungsprozessen in den Flüssen selbst und in ihrem Einzugsgebiet. Im zweiten Abschnitt (Kapitel 3) wird untersucht, inwiefern dieses erhöhte Isotopensignal als Hinweis auf historische Veränderungen der Stickstoffquellen genutzt werden kann, indem die Werte aus Sedimentkernen als Maßstab für vorindustrielle Einträge genutzt werden. Es werden Isotopensignaturen von Oberflächensedimenten und von datierten Sedimentkernen aus dem Skagerrak, dem wichtigsten Ablagerungsgebiet für Sedimente der südlichen Nordsee, und aus dem Kattegat, einem Gebiet, das große Mengen an reaktivem Stickstoff durch Oberflächenabfluss aus den Anrainerstaaten bezieht, verglichen. Die Sedimente aus dem Kattegat zeigen im zeitlichen Verlauf zunehmend schwerere Isotopenwerte, während im Skagerrak keine Anreichung zu erkennen ist. Möglicherweise wird dementsprechend der schwere flussbürtige Stickstoff in den seichten Küstengewässern der Deutschen Bucht und in den Ästuaren denitrifiziert, bevor er dieses Ablagerungsgebiet erreicht. Die Rolle von Ästuaren wird in Kapitel 4 untersucht, indem anhand von saisonalen Gradienten im Elbeästuar Stickstoffsenken und –umsetzungsprozesse untersucht werden. Die Isotopenwerte deuten darauf hin, dass heute, anders als noch vor einigen Jahrzehnten, im Ästuar kaum Stickstoffumsatz stattfindet, so dass sich die Elbe von einer Nitratsenke in eine Nitratquelle verwandelt hat. Insgesamt liefern die Daten neue Einblicke in Stickstoffumsetzungsprozesse im Küstengebiet, auch wenn deutlich wird, dass weitergehende Untersuchungen nötig sind, um die tatsächlichen Abbauprozesse für den Stickstoff zu klären, der die Deutsche Bucht und die Ablagerungsgebiete erreicht.