Phytoplankton quantity as an indicator of eutrophication in Finnish coastal waters : Applications within the Water Framework Directive

Abstract

The tackling of coastal eutrophication requires water protection measures based on status assessments of water quality. The main purpose of this thesis was to evaluate whether it is possible both scientifically and within the terms of the European Union Water Framework Directive (WFD) to assess the status of coastal marine waters reliably by using phytoplankton biomass (ww) and chlorophyll a (Chl) as indicators of eutrophication in Finnish coastal waters. Empirical approaches were used to study whether the criteria, established for determining an indicator, are fulfilled.

The first criterion (i) was that an indicator should respond to anthropogenic stresses in a predictable manner and has low variability in its response. Summertime Chl could be predicted accurately by nutrient concentrations, but not from the external annual loads alone, because of the rapid affect of primary production and sedimentation close to the loading sources in summer. The most accurate predictions were achieved in the Archipelago Sea, where total phosphorus (TP) and total nitrogen (TN) alone accounted for 87% and 78% of the variation in Chl, respectively. In river estuaries, the TP mass-balance regression model predicted Chl most accurately when nutrients originated from point-sources, whereas land-use regression models were most accurate in cases when nutrients originated mainly from diffuse sources. The inclusion of morphometry (e.g. mean depth) into nutrient models improved accuracy of the predictions.

The second criterion (ii) was associated with the WFD. It requires that an indicator should have type-specific reference conditions, which are defined as "conditions where the values of the biological quality elements are at high ecological status". In establishing reference conditions, the empirical approach could only be used in the outer coastal water types, where historical observations of Secchi depth of the early 1900s are available. The most accurate prediction was achieved in the Quark. In the inner coastal water types, reference Chl, estimated from present monitoring data, are imprecise - not only because of the less accurate estimation method – but also because the intrinsic characteristics, described for instance by morphometry, vary considerably inside these extensive inner coastal types. As for phytoplankton biomass, the reference values were less accurate than in the case of Chl, because it was possible to estimate reference conditions for biomass only by using the reconstructed Chl values, not the historical Secchi observations. An paleoecological approach was also applied to estimate annual average reference conditions for Chl. In Laajalahti, an urban embayment off Helsinki, strongly loaded by municipal waste waters in the 1960s and 1970s, reference conditions prevailed in the mid- and late 1800s. The recovery of the bay from pollution has been delayed as a consequence of benthic release of nutrients. Laajalahti will probably not achieve the good quality objectives of the WFD on time. The third criterion (iii) was associated with coastal management including the resources it has available. Analyses of Chl are cheap and fast to carry out compared to the analyses of phytoplankton biomass and species composition; the fact which has an effect on number of samples to be taken and thereby on the reliability of assessments. However, analyses on phytoplankton biomass and species composition provide more metrics for ecological classification, the metrics which reveal various aspects of eutrophication contrary to what Chl alone does.

Työn tarkoituksena oli arvioida kasviplanktonin kokonaisbiomassaa ja a-klorofylliä rehevyyden indikaattorina Suomen rannikkovesissä, tutkimalla voidaanko kasviplanktonin määrää arvioida luotettavasti ravinteiden avulla ja voidaanko kasviplanktonille luoda luonnonoloja vastaavat referenssiolosuhteet vesipuitedirektiivin vaatimusten edellyttämällä tavalla.

Suomen rannikkovesissä kesäaikainen kokonaistyppi ja –fosfori selittivät suurimman osan, n. 60-90 % a-klorofyllin vaihtelusta kesällä, jolloin suurin osa ravinteista on sitoutuneena kasviplanktonin biomassaan. Ulkoiset ravinnekuormat eivät selittäneet suoraan a-klorofyllin vaihtelua, koska perustuotanto ja sedimentaatio vaikuttavat kesällä nopeasti merialueelle päätyviin ravinnekuormiin lähellä kuormituslähteitä. Tarkimmat ennusteet saatiin Saaristomerellä. Jokien estuaareissa regressiopohjainen aineiden tasapainomalli ennusti klorofyllipitoisuuden tarkimmin silloin, kun ravinteet olivat peräisin pistemäisistä kuormituslähteistä, esimerkiksi yhdyskuntien ja teollisuuden jätevesistä. Maankäyttöön perustuva regressiomalli oli puolestaan tarkempi silloin, kun hajakuormitus oli vallitseva kuormituslähde. Regressiomallien tarkkuus parani kun a-klorofyllipitoisuuksia ennustettiin sekä ravinteiden että rannikon muotoa kuvaavien muuttujien, esimerkiksi keskisyvyyden, avulla. Näitä regressiomalleja voidaan käyttää hyväksi vesipuitedirektiivin toteuttamisessa esimerkiksi silloin, kun arvioidaan pienten vesimuodostumien keskimääräistä a-klorofyllitasoa ravinnetietojen puuttuessa tai kun arvioidaan a-klorofyllin vastetta ravinnemäärien muutoksiin suunniteltaessa vesienhoitotoimenpiteitä rehevöityneillä tai rehevöitymisherkillä vesialueilla. Vesienhoitosuunnitel-mia tehtäessä tulisi kiinnittää huomiota myös ravinnevirtojen estimaattien tarkkuuteen, sillä ravinnevirtojen keskiarvoihin perustuva perinteinen laskentamenetelmä aliarvioi jokien fosforivirtoja etenkin Saaristomerellä, jossa jokivirtaamien ja vedenlaadun kausivaihtelut ovat suuria.

Direktiivi edellyttää että biologisille laatumuuttujille tulee määrittää vesialue- eli tyyppikohtaiset referenssiolosuhteet. Direktiivi määrittelee referenssiolosuhteet olosuhteiksi, joissa biologisten muuttujien arvot edustavat erinomaista ekologista tilaa. Suomen ulommilla rannikkovesityypeillä kasviplanktonin a-klorofyllille ja kokonaisbiomassalle määritettiin empiiristen menetelmien avulla kesäaikaiset referenssiolosuhteet, jotka perustuvat Itämerellä 1900-luvun alussa tehtyihin näkösyvyyshavaintoihin. Malli on tarkempi a-klorofyllille kuin kokonaisbiomassalle. Arvioitu referenssiarvo edustaa rannikkotyypin keskimääräistä pitoisuutta, ja näin ollen se poikkeaa todellisesta referenssipitoisuudesta avomeren tai sisemmän rannikkotyypin läheisillä vesialueilla. Sisemmillä rannikkovesityypeillä kesäaikaiset referenssiarvot arvioitiin kasviplanktonin a-klorofyllin ja kokonaisbiomassan nykyisten havaintofrekvenssien perusteella, minkä vuoksi arviot ovat epäluotettavampia kuin ulommilla rannikkovesityypeillä. Referenssiarvojen epätarkkuutta lisää myös se, että sisemmät rannikkovesityypit ovat fysikaalisilta ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan ulompia rannikkovesityyppejä epäyhtenäisempiä. Helsingin Laajalahdella paleoekologisten menetelmien avulla saatu a-klorofyllin referenssiarvo on näytepaikkakohtainen ja edustaa vuotuista keskimääräistä pitoisuutta. 1960- ja 1970-luvuilla voimakkaasti kuormitettu lahti oli luonnontilainen 1800-luvun puolivälissä ja lopussa. Laajalahden toipuminen ravinnekuormituksesta on viivästynyt ns. sisäisen kuormituksen eli pohjasedimentistä veteen vapautuvien ravinteiden seurauksena, minkä vuoksi lahti ei todennäköisesti saavuta direktiivin vaatimaa hyvää tilaa vuoteen 2015 mennessä.

Tällä hetkellä kasviplanktonin a-klorofylli, analyysiensä halpuuden ja helppouden ansiosta, on ainoa kasviplanktonia kuvaava muuttuja, josta on Suomen rannikkovesistä alueellisesti ja ajallisesti kattavaa tietoa. Vesipuitedirektiivi edellyttää muidenkin kasviplanktonmittareiden luomista ekologista luokitusta varten. Kasviplanktonin biomassa ja lajistokoostumus vaativat enemmän resursseja, mutta ne mahdollistavat monipuolisempien mittareiden kehittämisen. On selvää ettei rehevyyden vaihtelun kuvaaminen onnistu yksin a-klorofyllin perusteella.