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Benthische St?rungs-Regenerations-Dynamik in sich ver?ndernden Küstengew?ssern
Erfassung der Auswirkungen terrestrischer Sedimentablagerungen auf pH-Wert und O2-Gehalt eines Sandwatts mit VisiSens Technologie
Kay Vopel, Aysha Hohaia, Chris Pook, und John Robertson
Institute for Applied Ecology New Zealand, Auckland University of Technology, Neuseeland
?nderungen des Klimas und der Landnutzung erh?hen die Zufuhr von terrestrischem Sediment (TS) in Küstengew?sser weltweit, die Auswirkungen dieses Anstiegs auf die ?kosystemfunktionen sind aber kaum bekannt. In früheren Studien haben wir gezeigt, wie millimeterdünne TS-Ablagerungen das weiche Küstensediment beeinflussen k?nnen, indem sie den pH-Wert und die Oxygenierung des Porenwassers herabsetzen. Hier untersuchten wir solche Sedimente mit planaren pH- und O2-Sensoren, um die Dynamik dieser Effekte in Sedimentkernen und einem Gerinneexperiment mithilfe des VisiSens?-Systems zu verstehen. Wir beschrieben zum ersten Mal zwei durch TS-Ablagerung induzierte Mechanismen, die das Sedimentporenwasser ans?uern, und zeigten, wie der Effekt einer TS-Ablagerung auf die Oxygenierung eines Baus durch das Verhalten des Baubewohners rückg?ngig gemacht wird.
Ver?nderte Landnutzung, ein Anstieg des Meeresspiegels und extreme Niederschlagsereignisse erh?hen die Zufuhr von terrestrischem Sediment (TS) in Küstenhabitate weltweit, entweder über Wasserstra?en oder direkt durch Erdrutsche. Das suspendierte TS setzt sich schlie?lich ab und bildet eine Ablagerung auf der Oberfl?che des weichen Sediment der Meeresb?den. Diese Ablagerung ver?ndert die Funktionen des sediment?ren ?kosystems, bis sie von der benthischen Fauna überarbeitet oder durch Bodenwasserstr?me resuspendiert wird. Das kann den Abbau von benthischem organischem Kohlenstoff beeinflussen, indem es den Austausch von reaktiven gel?sten Stoffen zwischen Sediment und Meerwasser behindert und das Verhalten der benthischen Spezies und die damit verbundene Reaktionsdynamik ver?ndert. Experimente in neuseel?ndischen Flussmündungen mit zentimeterdicken TS-Ablagerungen haben Ver?nderungen in benthischen Faunengemeinschaften aufgrund von Migration, Sterblichkeit und Bestandsversagen dokumentiert. H?ufiger bilden TS-Schichten millimeterdünne Ablagerungen, die das sediment?re ?kosystem dennoch modifizieren k?nnen, indem sie den pH-Wert und die Sauerstoffanreicherung des Oberfl?chensediments verringern. Eine Abnahme der Porenwasseroxygenierung wirkt sich negativ auf das Grabverhalten juveniler Makrofauna-Best?nde aus (Cummings et al 2009) und eine Abnahme des pH-Werts senkt die S?ttigung des Sediments mit Calcit und / oder Aragonit, was eine erh?hte Sterblichkeit von frisch angesiedelten Schalentieren verursachen kann (Green et al. 2009). Hier testeten wir die Eignung der VisiSens?-Technologie zur Untersuchung kurzfristiger Ver?nderungen des Porenwasser-pH-Wertes und O2-Niveaus w?hrend und nach der Ablagerung von TS. Dazu wurde auf Küsten-Sedimente in Acrylr?hren und einem Labor-Meerwassergerinne, an die planare pH- und O2-Sensoren angebracht waren, frisch suspendiertes und verwittertes TS abgelagert. Wir untersuchten Ver?nderungen des Porenwasser-pH-Wertes nach diesem Ablagerungsereignis, um die Mechanismen besser zu verstehen, die zu der zuvor dokumentierten Porenwasserversauerung führen. Darüber hinaus interessierte uns, wie sich durch die Bew?sserung von Makrofauna-H?hlen diese Ablagerungen auf die O2-Versorgung der darunterliegenden Sedimentschichten auswirkt.
Material & Methoden
Wir sammelten Küstensedimente aus einem geschützten Sandwatt im n?rdlichen Becken von Tauranga Harbor, einem gro?en Gezeiten-Einlass an der Nordostküste des North Island, Neuseeland. Der feine Sand hatte einen Gehalt an Wasser und organischem Material von 25 und 2,9 % und einen mittleren Teilchendurchmesser von 249 μm. Wir benutzten TS von einem Erdrutsch am Hahei Beach, Coromandel, suspendierten etwa 100 g dieses Sediments in 100 ml Meerwasser, entfernten gro?e Partikel mit einem 250 ?m Sieb und gaben frisch suspendiertes TS in das Meerwasser über dem Küstensediment, um eine 1-2 mm dicke Ablagerung auf der Oberfl?che zu erzeugen (mittlerer Teilchendurchmesser, 30 - 40 ?m). Um verwittertes TS herzustellen, vollzogen wir drei Ablagerungs- und Resuspensions-Zyklen, wobei wir das darüber liegende Meerwasser nach jedem Zyklus dekantierten und ersetzten. Um die Sensorfolien in Kontakt mit dem Oberfl?chensediment zu bringen, entfernten wir das Meerwasser über dem Sedimentkern, klebten die Folie direkt über der Sedimentoberfl?che auf die Innenfl?che des Acrylrohrs und schoben den Sedimentkern dann nach oben, bis die H?lfte der Folie mit dem Sediment in Kontakt stand. Für Gerinneexperimente haben wir die Folie auf die innere Oberfl?che der Gerinne-Glaswand geklebt und dann das Gerinne mit Sediment gefüllt.
Auswirkungen von TS-Ablagerung auf Porenwasser-pH und -O2
Die Zeitreihenanalyse unserer Versuche mit pH-Sensorfolien legte zwei Mechanismen offen, durch die TS-Ablagerungen den pH-Wert des darunter liegenden Küstensediments senken:
1. Die Ablagerung von frisch suspendiertem TS setzte über Stunden nach ihrer Bildung Wasserstoffionen in das darunter liegende Sediment und das Gerinne-Meerwasser frei (Abb. 3). Folglich nahm der pH-Wert des darunter liegenden Küstensediments ab. Der Diffusionsverlust von Wasserstoffionen in das Gerinne-Meerwasser erh?hte allm?hlich den pH-Wert der TS-Ablagerung und des darunter liegenden Küstensediments. Dieser Anstieg kam schnell zum Erliegen, weil Wasserstoffionen, die durch mikrobielle Oxidation von organischem Material und reduzierten Stoffen freigesetzt wurden, den pH auf einem niedrigen Wert hielten, so dass der Fluss von Wasserstoffionen umgekehrt wurde. Wasserstoffionen diffundierten nun von ihrer Quelle im Sediment über die TS-Ablagerung in das darüber liegende Meerwasser.
2. Da die TS-Ablagerung die Diffusionsdistanz zwischen Wasserstoffionen-Quelle und -Senke erh?hte, blieb der pH-Wert der Küstensedimente unter der Ablagerung unter Werten in ungest?rten Sedimenten (Abb. 4). Das hei?t, die Ablagerung verhinderte den Transport von Wasserstoffionen und erh?hte somit deren oberfl?chennahes Konzentrationsmaximum.
Die Versuche mit O2-Sensorfolien demonstrierten eindrucksvoll die Dynamik der Sedimentporenwasser-Redoxchemie. Wir beobachteten, wie sich absetzende TS-Partikel die diffusive Grenzschicht zwischen Küstensediment und Gerinne-Meerwasser st?rten. Diese St?rung erh?hte kurzzeitig die O2-Durchsetzung, aber die zunehmende Oberfl?chenablagerung verschob dann allm?hlich den O2-Konzentrationsgradienten nach oben in die Ablagerung (Fig. 2). Schlie?lich zeigten wir zum ersten Mal, dass die Ablagerung einer nur 0,5 mm dicken TS-Schicht die Bew?sserung eines Polychaetenbaus zum Erliegen bringt. Die Oxygenierung des Bohrlochs und des umgebenden Sediments nahm schnell ab, bis der Polychaet den Wasserfluss durch den Bau wiederhergestellt hatte. Eine anschlie?ende Ablagerung einer ca. 2 mm dicken Schicht lie? die H?hle für mindestens eine Stunde anoxisch werden (entspricht der maximalen Messzeit).
Zusammenfassung
Die F?higkeit von Polychaeten und anderer Makrofauna, einen Austausch von gel?sten Stoffen unter der Oberfl?che aufrecht zu erhalten, wird sicherlich Grenzen haben, die zukünftige Experimente mit dem VisiSens?-System genauer beleuchten k?nnten, um Schwellenwerte in der Reaktion von benthischen ?kosystemen auf Stress besser zu verstehen. Ein solches Verst?ndnis wird unabdingbar sein, um Vorhersagen über das Funktionieren der Küstenmeere in Zukunft treffen zu k?nnen.