Beziehung zwischen Auftriebsintensität und Zusammensetzung sowie Produktivität der Phytoplanktongemeinschaft im Humboldtstrom - Auftriebssystem
Das Humboldt Upwelling System (HUS) ist in Bezug auf den Fischereiertrag das größte und produktivste Auftriebssystem der Welt. Die Basis der Nahrungskette, das Phytoplankton, scheint jedoch nicht direkt auf die durch den Auftrieb eingebrachten Nährstoffe zu reagieren. Während des Winters, wenn die Auftriebsintensität am höchsten ist und die Nährstoffkonzentrationen an der Oberfläche zunehmen, bleibt die Phytoplankton-Biomasse gering. Im Sommer, wenn die Auftriebsintensität abnimmt, treten dagegen die höchsten Konzentrationen photosynthetisch aktiver Biomasse an der Oberfläche auf. Es gibt mehrere Faktoren, die für diesen phasenverschobenen saisonalen Zyklus verantwortlich sein könnten: (1) verringerte Sonneneinstrahlung während des Winters, (2) Veränderungen der Tiefe der durchmischten Schicht, (3) Veränderungen der Nährstoffverfügbarkeit (Makro- vs. Mikronährstoffe, wie z.B. Eisen) und (4) erhöhte Top-Down-Kontrolle durch herbivores Zooplankton während des Winters.
Abbildung 1: Saisonalität der Primärproduktion, Nitrat-, Eisen- und Lichtverfügbarkeit sowie des Verlusts durch Export (von Messie und Chavez 2015). A: Schema der wichtigsten Faktoren, die die Primärproduktion regulieren. B: saisonale Zyklen der Primärproduktion und ihrer regulierenden Faktoren. C1 und C2: Zeit-Breitengrad-Diagramme von Daten, die in einem 150 km langen Küstenstreifen in Längsrichtung gemittelt wurden. C1 stellt sowohl die Nitratversorgung (Farbbalken mmol N m-1 s-1) als auch die potentielle Neuproduktion (NPpot, Farbbalken gC m-2 yr-1) dar; C2 zeigt die Primärproduktion (PP), berechnet aus Satellitendaten für Chla. Schwarze Konturen repräsentieren die 500 gC m-2 yr-1 NPpot-Isolinie.
Der Zusammenhang zwischen der Auftriebsintensität (einschließlich aller durch den Auftrieb beeinflussten Faktoren wie Temperatur und Nährstoffkonzentrationen) und der Zusammensetzung und Produktivität der Phytoplanktongemeinschaft ist noch unklar. Daher verfolgen wir einen interdisziplinären Ansatz in Zusammenarbeit mit Physikalischen Ozeanographen (IOW) und Zooplanktonökologen (Universität Bremen, Hamburg und Kiel, sowie IGB), um die Faktoren zu verstehen, die die Primärproduktivität, die Kohlenstofftransfereffizienz und den Kohlenstoffexport im HUS regulieren. Darüber hinaus werden wir durch Modellierungsbemühungen unter der Leitung unserer Kollegen von der Universität Hamburg und des GEOMAR versuchen, die derzeitigen Vorhersagen über das Schicksal des HUS unter sich zukünftig ändernden Auftriebsbedingungen zu verbessern. Die erarbeiteten Modelle werden verschiedene Szenarien des Klimawandels einschließen. Um diese Ziele zu erreichen, werden wir die Ergebnisse einer schiffsgestützten Expedition (MSM80-Panama-Chile Dezember2018-Januar 2019) und eines Mesokosmenexperiments vor der Küste von Callao (Lima, Perú) im Februar-April 2020 kombinieren.
Abbildung 2: Fotos der CTD-Rosette während der MSM80-Expedition an Bord von Maria S. Merian (links) und der Mesokosmen vor der Insel San Lorenzo (Callao, Perú) (rechts). (Fotos von: Mar Fernández-Méndez)
Während der Schiffsexpedition führten wir sechs Transekte senkrecht zur peruanischen Küste durch. Dabei nahmen wir Proben zur Physikalischen Ozeanographie, Biogeochemie, sowie zu den Phyto- und Zooplanktongemeinschaften. Unser Ziel war es, die Auftriebsgeschichte jedes Transektes zu charakterisieren und sie mit den an jeder Station vorhandenen Phyto- und Zooplanktongemeinschaften in Verbindung zu bringen.
Während des Mesokosmenexperiments testeten wir die Auswirkung von Licht- und Nährstofflimitierung, indem wir die Winter- und Sommerbedingungen unter verschiedenen Auftriebsszenarien simulierten. Dafür beschatteten wir die Hälfte der Mesokosmen und fügten unterschiedliche Prozentsätze nährstoffreichen Tiefenwassers hinzu. Um den möglichen Erkenntnisgewinn maximal auszunutzen, nahmen auch internationale Wissenschaftler an dieser Studie teil. Diese wurden vom EU-Projekt AQUACOSM unterstützt, welches eine bestmögliche Nutzung und Vernetzung von Mesokosmen-Anlagen zum Ziel hat.
Einige der wissenschaftlichen Fragen, mit denen wir uns im Rahmen des Projekts Coastal Upwelling System in a Changing Ocean (CUSCO) befassen, sind:
Welche funktionelle Beziehung besteht zwischen der Auftriebsintensität und der Phytoplanktonproduktivität und den steuernden Faktoren im HUS?
Was ist die funktionelle Beziehung zwischen Auftriebsintensität und Exportpotential und den Faktoren, die diese steuern?
Ist die vom Mesokosmos abgeleitete funktionelle Beziehung in der natürlichen Umwelt gültig?
Können wir mit dem neuen Verständnis der Prozesse, die die Beziehung zwischen Auftriebsintensität und Produktivität regulieren, zuverlässige Voraussagen über die zukünftige Entwicklung der HUS-Produktivität unter dem Einfluss des Klimawandels machen?
Projekt: Küstenauftriebssysteme in einem sich verändernden Ozean (CUSCO)
Leitung Forschungsbereich 2 - Marine Biogeochemie (FB2): Prof. Dr. Anja Engel GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel Seefischmarkt / Gebäude 5 Wischhofstrasse 1-3 24148 Kiel Tel.: +49 (0) 431-600-1510 E-Mail: aengel(at)geomar.de
