Reaktion des Auftriebsökosystems vor Namibia auf Klimaschwankungen im späten Holozän im Vergleich mit der Rezentsituation

Abstract

Die Arbeit befasst sich mit dem Auftrieb vor der zentralnamibischen Küste als Teil des Benguela Current Large Marine Ecosystem. Das besondere Augenmerk gilt dabei der Schelfregion. An erster Stelle steht die Auseinandersetzung mit der Rezentsituation: Ziel ist ein umfassender Einblick in die Dynamik, Auftriebsmuster und das Nährstoffregime küstennaher Gewässer in ihrem heutigen Zustand. Die Probenpalette besteht aus Oberflächensedimenten, Schwebstoffen aus der Wassersäule und hydrographischen Messungen. Vor diesem Hintergrund widmen wir uns im Anschluss der Klima- und Auftriebsvariabilität der letzten 5500 Jahre. Die hierzu verwendeten Sedimentkerne (Kern 226620, Kern 178; Kern NAM1) entstammen dem organikreichen Diatommenschlammgürtel vom inneren, zentralnamibischen Schelf. Einen großen Teil unseres Wissens über das Nährstoffregime inklusive ozeanographischer Randbedingungen beziehen wir aus der Stickstoffisotopensignatur (δ15N) in organischem Material. Dementsprechend war es uns ein Anliegen, potentiellen Veränderungen des δ15N- Signals als Folge der Probenaufbereitung auf den Grund zu gehen und herauszufinden, welche Aufbereitungsart die geeignetste Grundlage für unsere Untersuchungen darstellt.Hierzu wurde jede Probe drei verschiedenen Aufbereitungsarten unterzogen. Zu Vergleichszwecken liegt der ersten Messserie (MS-1) unbehandeltes Sediment zugrunde. Für MS-2 wurde das Sediment vor der Messung mit destilliertem Wasser gespült. MS-3 basiert auf gesäuertem und gespültem Material, während für MS-4 zwar gesäuert, allerdings auf das anschließende Spülen verzichtet wurde. Wie unsere Daten zeigen, hat der Waschvorgang substanzielle Veränderungen im δ15N-Signal zur Folge, unabhängig davon, ob zusätzlich gesäuert wurde (MS-3) oder nicht (MS-2). Die Corg/N-Verhältnisse reagieren stattdessen nur auf eine Kombination aus Säuern und anschließendem Waschen (MS-3). Die teils dramatischen Unterschiede in den Kurvenverläufen von δ15N als auch Corg/N werden auf den Einfluss von Ammonium (NH4+) zurückgeführt. Folgende Prozesse sind hierbei von Relevanz: Während des Trocknens kommt es zum Verlust von NH4+-N in Form von gasförmigem NH3, wobei 14N gegenüber 15N den Übergang in die Gasphase bevorzugt. Allerdings sind nur die im Porenwasser gelösten NH4+-Ionen vom Ausgasen und der Fraktionierung betroffen. Adsorbiertes NH4+ scheint dem Ausgasen gegenüber immun. Die Adsorption erfolgt an negativ geladenen SiO2-Partikeln (präsent in Form von Diatomeenschalen). Dabei führt ein Anstieg des pH-Werts im Porenwasser zu einer Erhöhung der negativen Oberflächenspannung und somit Adsorptionskapazität von SiO2. Grund für einen pH-Anstieg ist ein höherer Karbonatanteil im Sediment. Unsere Beobachtungen stellen die Verlässlichkeit von Corg/N and δ15N-Daten aus unbehandeltem Sediment sehr in Frage. MS-1 täuscht Fluktuationen von Corg/N und δ15N vor, die – statt von veränderten Umweltbedingungen zu zeugen – auf unkontrolliertes und variables Ausgasen von NH3 zurückzuführen sind. Das Beisein von Ammonium erweist sich augenscheinlich als hoch problematisch. Da organikreiche und anoxische Sedimente Vorkommen und Erhalt von NH4+ begünstigen, empfiehlt es sich von der Verwendung unbehandelten Diatomeenschlamms (MS-1) abzusehen und stattdessen das Sediment vorab zu säuern und zu spülen (MS-3). Hierdurch scheint der irreführende Einfluss von NH4+-Ausgasen und -Fraktionierung auf Corg/N and δ15N beseitigt. Im Mittelpunkt der Rezentuntersuchung steht der Vergleich von δ15N in suspendiertem partikulärem Material (δ15NSPM) mit dem darunterliegenden Sediment (δ15NSediment). Wassersäulenprofile sollen zudem Aufschluss über Veränderungen des δ15NSPM-Signals mit zunehmender Tiefe geben und Offsets zwischen δ15NSPM und δ15NSediment erklären. Das Studium von δ15N- Signalen in Sedimenten und Schwebstoffen in Kombination mit Temperatur- und Produktivitätsproxies liefert wertvolle Hinweise auf das Zustandekommen und die Anwendbarkeit von δ15N zu Zeiten, da der direkte Einblick in die Wassersäule fehlt. Die höchsten δ15N-Signale befinden sich in Küstennähe, wo die Oberflächentemperaturen am niedrigsten sind. Gleichzeitig geringe Sauerstoff- und Nitratkonzentrationen im Bodenwasser lassen auf den Auftrieb denitrifizierten Nitrats schließen. Mit zunehmender Entfernung zur Küste sinken die δ15N-Signale und erreichen ein Minimum über der Schelfkante. Hier kommt es zur Trendwende und entsprechend dem „normalen“ Verlauf steigen die δ15N-Werte nun gen Westen. Die westwärtige Abnahme von δ15N widerspricht dem Konzept der Rayleigh-Fraktionierung, d.h. der kontinuierlichen Anreicherung von 15N-NO3- entlang des Strömungspfades infolge sukzessiver Nitratzehrung. Interessanterweise entsprechen die Beobachtungen exakt dem Trend, den man für δ15NNitrat im Bodenwasser erwarten würde. Dies gibt Anlass zu der Vermutung, dass über weiten Teilen des Schelfs eine direkte Versorgung der photischen Zone mit Bodenwassernitrat stattfindet. Als Ursache wird intensive vertikale Durchmischung der relativ seichten Schelfgewässer diskutiert. Die Durchmischung scheint stark genug, um tiefere, nährstoffreiche Wassermassen anzuzapfen und auf diese Weise der Nährstoffzehrung entgegenzuwirken. Eine zweite Auftriebsfront an der Schelfkante stellt ein Alternativszenario dar, wobei die Kombination beider Prozesse hinter dem unerwarteten δ15N-Verlauf als wahrscheinlich anzunehmen ist. Das komplizierte Zusammenspiel nährstoffrelevanter und ozeanographischer Prozesse muss bei der folgenden Interpretation von δ15N-Schwankungen entlang der Kernprofile berücksichtigt werden. Hintergrund der Untersuchung an den Sedimentkernen ist die Frage des Einflusses holozäner Klimaschwankungen auf das Auftriebsgeschehen und Nährstoffregime. Von der Klimasensitivität des Systems in der Vergangenheit erhoffen wir uns eine klarere Vorstellung dessen, womit infolge des gegenwärtigen Klimawandels zu rechnen ist. Die Auflösung der Kerne reicht von multi-dekadisch (NAM1) über hundert- (Kern 178) bis tausendjährig (Kern 226620). Dabei setzen die ältesten Daten in etwa 5500 Jahre vor heute ein. Die Untersuchung fußt auf Nährstoff- (δ15N, δ13C) und Produktivitätsproxies (Akkumulationsraten von organischem Kohlenstoff; ARTOC). Rekonstruktionen der Temperaturen im Oberflächenwasser (Alkenon-basierte SST; sea surface temperature) und unterhalb der durchmischten Schicht (Tδ18O; anhand planktischer Foraminiferen) spiegeln die physikalischen Randbedingungen wider. Den δ15N-Schwankungen zufolge, sind die Auftriebswässer seit Ausbildung der modernen Schelfzirkulation mehr oder weniger denitrifiziert. Im Mittel zeigen alle Proxyindikatoren Werte, die der Rezentsituation sehr nahe kommen. Dennoch gab es eine Reihe mehr oder wenig heftiger Fluktuationen im Laufe des mittleren und späten Holozän und wie der sorgfältige Vergleich mit Datenserien verschiedentlicher Herkunft zeigt (vom südafrikanischen Subkontinent, Südost- und Nordatlantik), ist deren Ursache oft nicht rein lokaler Natur. Charakter und Eigenschaft des namibischen Auftriebs scheinen sowohl auf Veränderungen der Windsysteme als auch der thermohalinen Zirkulation zu reagieren. Die Kombination von SST- und Tδ18O-Daten erwies sich als äußerst nützlich, um zwischen dem Einfluss der Atmosphäre und des Ozeans hinsichtlich Transport und Ursache der Klimaschwankungen zu unterscheiden. SST-Signale sind primär von der Intensität der Passatwinde abhängig. Tδ18O zeichnet hingegen Temperaturschwankungen im Auftriebswasser auf und korreliert dabei häufig mit der Geschwindigkeit der ozeanischen Förderbands aufgrund variablen Eintrags von warmem Agulhaswasser aus dem Indik. Ganz offensichtlich schlagen sich Veränderungen der thermohalinen Zirkulation neben der Temperatur auch im Nährstoffgehalt des Auftriebswassers nieder. Abrupte Schwankungen der thermohalinen Zirkulation haben global unterschiedliche Konsequenzen und oft sind die zu erwarteten Auswirkungen auf eine bestimmte Region noch reine Spekulation. Eine als Folge des anthropogenen Klimawandels diskutierte Verlangsamung der Tiefenwasserproduktion könnte sinkende Nährstoffgehalte im Auftriebswasser verursachen und sich dementsprechend nachteilig auf die Primärproduktion und das Benguela-Ökosystem als Ganzes auswirken.

Our investigation deals with the central Namibian upwelling within the Benguela Current Large Marine Ecosystem with particular emphasis on the shelf region. First, we are concentrating on the modern situation, deepening our understanding of today’s dynamics above the central Namibian shelf. The investigation is based on an extensive compilation of surface sediments and suspended particulate matter collected along with hydrographic data. Against this background the variability in upwelling and nutrient dynamics since the middle Holocene is examined by means of three sediment cores from the diatomaceous muds coating the inner shelf up to 150 m depth. Our main insight into the nutrient dynamics and oceanographic features comes from nitrogen isotope ratios (δ15N) in organic matter. It was, therefore, in our very interest to investigate the deceptive influence of sample preparation on the original δ15N-signal. We compared the effects of common processing methods in order to establish which can be most trusted with respect to the central Namibian shelf sediments. Each sample was subjected to three common types of pre-analysis processing methods. For comparative purposes, the first measurement series (MS-1) was carried out on untreated sediment. In MS-2, the sediment was rinsed with distilled water. In MS-3, analyses were carried out on decalcified and rinsed material, in MS-4 the samples were decalcified without being subsequently washed. Rinsing, irrespective of whether acidification was included (MS-3) or not (MS-2), induced substantial modifications in δ15N compared to untreated sample splits (MS-1). Molar Corg/N ratios, on the other hand, were only affected by a combination of acidification and rinsing (MS-3). Our findings provide strong evidence of ammonium (NH4+) being responsible for the discrepancies observed. Firstly, nitrogen isotopes fractionate during NH4+-volatilisation in the heating oven, where the sediment is put to desiccate. Thereby, 14N accumulates in gaseous NH3, thus leaving 15N-enriched NH4+ behind. Secondly, outgassing and concomitant fractionation only concerns NH4+-ions dissolved in the interstitial waters of the sediment; NH4+-ions adsorbed to negatively-charged SiO2-surfaces (in the form of diatom frustrules) escape both the outgassing and fractionation and remain unaffected. Finally, the surface charge and, with it, adsorption capacity of SiO2 increases with increasing pH of the pore water, hence with increasing carbonate content. Taken together, our findings raise serious doubts about whether untreated sediment (MS-1) can provide reliable Corg/N and δ15N-records in case that NH4+ is involved. This is because variations in [Corg/N]untreated and δ15Nuntreated may result from a misleading influence of NH4+, not necessarily having any nutrient-related background. We conclude that excessive confidence in MS-1 is inappropriate with respect to organic-rich and anoxic deposits, such as the northern Benguela shelf sediments, where NH4+ is abundantly produced and easily preserved. It is recommended that NH4 \+ (both adsorbed and dissolved) be removed prior to measuring Corg/N and δ15N. This seems to be done best by a combination of acidification and subsequent rinsing (MS-3). In order to investigate today’s functioning of the coastal upwelling we compare δ15N- records in surface sediments (δ15Nsediment) from the central Namibian shelf with suspended particulate matter (δ15NSPM) from the surface ocean. Water column profiles provide an insight into changes of δ15NSPM with depth and elucidate potential offsets between δ15NSPM and δ15Nsediment. Investigating spatial and vertical changes in δ15N along with temperature and productivity records (e.g. organic carbon and nitrogen contents), and combining data from sediments and suspended matter holds valuable clues to the principle controls on the δ15N-signal. Highest δ15N-signatures are found right off the coast where water temperatures are lowest. This, together with pronounced nitrate deficits in coastal proximity and oxygen depletion in the bottom waters suggests the upwelling of denitrified source waters. With increasing distance offshore, δ15N declines unexpectedly, reaching a minimum above the shelf break. Beyond that, the trend reverses to “normal” with δ15N-signals continuously increasing towards the mesopelagic ocean. The decrease in δ15Nsediment and surface ocean δ15NSPM with increasing distance to the coast disagrees with the concept of Rayleigh fractionation kinetics, viz. the progressive 15N-enrichment of the nitrate pool as it is gradually used up by phytoplankton growth. Interestingly, the oceanward decline in δ15N represents an exact copy of the trend bottom water δ15Nnitrate is expected to perform. Apparently, bottom nitrate somehow supports primary production in the photic zone over large areas of the continental shelf. An obvious explanation is that the penetration of wind- and wave-induced mixing is so deep as to tap the varyingly denitrified, subsurface waters. Nutrient replenishment via a second upwelling front at the shelf break represents an alternative scenario that might account for the unanticipated δ15N-gradient. Both mechanisms are considered capable of working against the expected nutrient drawdown (i.e. 15N-enrichment) as surface waters travel offshore. The results help to evaluate the applicability of δ15Nsediment as a proxy of past nitrogen cycling, proving particularly useful when it comes to interpreting δ15Nsediment-fluctuations in the sediment cores. The cores document climate variability in the northern Benguela Upwelling back to 500 BP with resolutions ranging from multi-decadal (NAM1) over centennial (core 178) to millennial scale (core 226620). One of the key objectives was to examine the impact of past climate fluctuations on the system in order to assess its vulnerability to climate forcing and to gain a better understanding of what the system may await in the future. The study rests on nutrient (δ15N, δ13C) and productivity proxies (accumulation rates of total organic carbon; ARTOC). Reconstructed sea surface temperatures (alkenone-derived SST) and temperatures at subsurface depths (Tδ18O; based on foraminiferal calcite) reflect the physical boundary conditions. δ15N-records indicate that denitrification seems to have prevailed since the modern shelf circulation system has established. Although the median values of the proxy indicators lie within today’s range, the northern Benguela experienced pronounced and rapid perturbations during the middle and late Holocene, and apparently, not all are purely local in character. Properties and functioning of the northern Benguela system seem to be intimately linked to changes in both atmospheric circulation features and the thermohaline overturn. In this regard, the combined analysis of SST and Tδ18O proved a useful tool in order to differentiate between climate signals transferred by the ocean or the atmosphere. SSTs are primarily controlled by the intensity of atmospheric circulation features, reflecting changes of upwelling-favourable winds. Tδ18O records the temperature of the source water and often correlates with global ocean conveyor speed due to varying inputs of warm Agulhas Water. Besides that, it seems as though conveyor slowdown or acceleration not only affected the temperature of the source water but also its nutrient content. Predictions concerning region-specific consequences of abrupt changes in NADW- production are still highly speculative. As regards the Benguela system, a severe slowdown of the ocean conveyor may have adverse effects on primary production and the ecosystem as a whole due to deteriorating amounts of nutrients in the source waters.