Carbonate chemistry and coral reefs in the Pacific coast of Costa Rica

Abstract

Coral reefs are important tropical ecosystems holding about 25% of the world marine biodiversity. Their tridimensional biogenic structures are built of calcium carbonate and they are threatened by global warming and ocean acidification. Current projections on the future development of coral reefs suffer among others from the scarcity of local observations, especially along the Costa Rican coast in the Eastern Tropical Pacific (ETP). The aim of this thesis was to investigate the carbonate chemistry in coastal waters and their effect on the reef development along this coast. It reveals a strong gradient from reefs influenced by upwelling in the north towards reefs affected by river discharges in the south. Due to this gradient we selected three study sites: Santa Elena in the north, Marino Ballena in the south and Matapalo between these two sites. Parameters required to determine the carbonate system (pH, pCO2, TA and DIC) including temperature, salinity and nutrients were measured during the dry and rainy season. Furthermore, the benthic composition was quantified by reef surveys and in situ studies were carried out to identify the effect of local environmental variables on reef organisms. Our results evidenced that coastal upwelling and metabolic reactions (photosynthesis and respiration) are the main drivers in the north (Santa Elena), whereas calcification and carbonate dissolution in addition to river discharges exert a strong control on the carbonate chemistry in the south (Marino Ballena). The dominant coral species in the south (Porites lobata and Pavona clavus) cope with enhanced suspended matter concentrations, a low salinity, and a low aragonite saturation state (Ωa). Reef-builders in the north (Pavona gigantea, Pavona clavus and Pocillopora sp.) are also tolerant to low Ωa but are adapted to low sea water temperatures and euthrophic conditions. However, enhanced nutrient inputs into reefs enhance productivity, which in turn favors the growth of larger and more effective benthic bioeroders. In addition to strong currents, this enhances erosion and explains the low reef accretion rates in the ETP compared to the Western Tropical Pacific. The progressing ocean acidification, changes in the strength of upwelling and enhanced inputs from land threaten the sensible balance between reef accretion and erosion along the Costa Rican coast. In the future these processes and their combined impact on reefs need to be monitored and studied in more detail, in order to find ways to better protect these coral reefs.

Korallenriffe sind wichtige tropische Ökosysteme, die ca. 25% aller bekannten und im Ozean vorkommenden Arten beherbergen. Sie bilden dreidimensionale biogene Strukturen, die im wesentlichen aus Kalziumkarbonat bestehen. Die globale Erwärmung und die Versauerung der Ozeane bedrohen das Wachstum der Korallen und somit auch den Bestand der Riffe. Direkte Beobachtungen, die die Reaktionen von Riffen auf globale Veränderungen beschreiben, sind jedoch bisher selten und fehlen zur Validierung von Modellen, die die zukünftige Entwicklung von Korallenriffen vorhersagen. Das Ziel dieser Arbeit war es, die Karbonatchemie in Küstengewässern und deren Auswirkungen auf die Riffentwicklung entlang der Küste Costa Ricas zu untersuchen. Die Riffe entlang der costa-ricanischen Küsten sind zeitlich und räumlich variierenden Einflüssen ausgesetzt. Im Norden dominiert der saisonale Auftrieb von nährstoffreichem und korrosivem Tiefenwasser während im Süden die Einträge von Flüssen die Riffentwicklung nachhaltig beeinflussen. Um das Spektrum variierender Einflussgrößen zu erfassen, wurden drei Untersuchungsgebiete ausgewählt: Santa Elena im Norden, Marino Ballena im Süden und Matapalo zwischen diesen beiden Gebieten. Die zur Bestimmung des Karbonatsystems (pH, pCO2, TA und DIC) erforderlichen Parameter, einschließlich Temperatur, Salzgehalt und Nährstoffkonzentrationen, wurden während der Trocken- und Regenzeit gemessen. Darüber hinaus wurde die Artenzusammensetzung der Riffe ermittelt und weitere Studien vor Ort durchgeführt, um den Einfluss lokaler Umweltgrößen auf individuelle Rifforganismen zu identifizieren. Es konnte gezeigt werden, dass die Karbonatchemie im Norden (Santa Elena) im wesentlichen durch den Auftrieb sowie die Photosynthese und Respiration beeinflusst wird, während im Süden (Marino Ballena) die Bildung und Lösung von Kalk zusätzlich zu den Flusseinträgen eine starke Kontrolle über die Karbonatchemie und die Riffzusammensetzung ausüben. Die im Süden vorherrschenden Korallenarten (Porites lobata und Pavona clavus) kommen mit erhöhten Schwebstoffkonzentrationen, einem niedrigen Salzgehalt und einer geringeren Aragonitsättigung (Ωa) zurecht. Riffbildende Korallen im Norden (Pavona gigantea, Pavona clavus und Pocillopora sp.) weisen ebenfalls eine Toleranz gegenüber einer niedrigen Ωa auf, sind aber an niedrige Wassertemperaturen und nährstoffreichere Bedingungen angepasst. Nährstoffeinträge in Riffe begünstigen das Algenwachstum, was wiederum das Wachstum größerer und effektiverer Bioerodierer begünstigt und somit die Erosion erhöht. Dies spiegelt sich auch in Riffbildung wieder, die im westlichen tropischen Pazifik deutlich ausgeprägter ist, als im östlichen tropischen Pazifik, in dem Auftrieb ein weitverbreitetes Phänomen ist. Die fortschreitende Versauerung der Ozeane, Veränderungen in der Stärke des Auftriebs und erhöhte Einträge vom Land gefährden das empfindliche Gleichgewicht zwischen Riffbildung und Erosion entlang der costa-ricanischen Küste. In Zukunft müssen diese Prozesse und ihre kombinierten Auswirkungen auf Riffe genauer überwacht und untersucht werden, um Wege zu finden, diese Korallenriffe besser zu schützen.