Rapport Avklaring om det finnes spesielle områder som peker seg ut som særlig viktige for den økologiske produktiviteten i havområdet som dekkes av forvaltningsplanen (Barentshavet Lofoten). Paul Wassmann Universitetet i Tromsø Norges fiskerihøgskole 9037 Tromsø +47-776-44459 paul.wassmann@nfh.uit.no Direktoratet for naturforvaltning (DN) skal på oppdrag fra Miljøverndepartementet (MD) utvikle et system for miljøverdivurderinger av arealene i Barentshavet Lofoten. Systemet skal også omfatte sårbarhetsanalyser for disse områdene for ulike typer påvirkning (eks. forurensning, klimaendringer, fysisk påvirkning, støy). Et overordnet mål er å bidra til at den aktivitet som utøves i norske havområder er tilpasset områdets egenskaper, og at beslutninger om all aktivitet tas på et best mulig kunnskapsgrunnlag. Arbeidet skal så langt det er mulig kartfestes og gjøres allment tilgjengelig. Formålet med det gjeldende delprosjektet er å avklare om det er spesielle områder som peker seg ut som særlig viktige for den økologiske produktiviteten i havområdet som dekkes av forvaltningsplanen. Både 1) områder med høy produktivitet, 2) områder som er viktige for økosystemenes produktivitet og 3) regioner der produktiviteten er høy under visse tidsavsnitt er interessante i en slik avklaring. Rapporten består av 3 deler: A. Avklaringer omkring økologisk produktivitet, problemstillinger og metode B. Identifisering av viktige områder for økologisk produktivitet C. Kart som eventuelt kan brukes i analysesystem for særlig verdifulle områder A. Avklaringer omkring økologisk produktivitet, problemstillinger og metode Kort beskrivelse av økologisk produktivitet, særlig primærproduksjon Den økologiske produktivitet til et havområdet eller økosystem fastsettes først og fremst av primærproduksjonen, dvs. fiksering av CO 2 til biomasse ved hjelp av energien fra lyset og næringsalter (som f. eks. nitrat, ammonium, fosfat og silikat). For en illustrasjon av forholdet mellom primærproduskjon og organismer i vannsøylen og bunnen, se figur i teksten. Videre er lagdeling av overflatevannet (avhengig av freskvann fra elver/is, oppvarming gjennom solstråling og vertikal blanding gjennom vind) av stor betydning fordi den bestemmer hvor mange næringssalter føres til overflaten etter at de vinterakkumulerte næringssalter er oppbrukt etter våroppblomstring. Videre spiller isen en avgjørende rolle i nord. Ikke bare fordi meling gir opphav til en sterk lagdeling om sommeren og høsten, men også fordi isen skygger for lys og derved begrenser primærproduksjon.
Økologisk produktivitet er ikke klart definert. Som oftest mener man med økologisk produktivitet hvordan primærproduksjon kanaliseres gjennom fødenettet og fødekjeden til høyere organismer. Høy primærproduksjon betyr ikke at den høstbare produksjon (se nede) er tilsvarende stor. Høy primærproduksjon betyr heller ikke at produktiviteten til økonomisk viktige arter er stor. Et regimeskift vil f. eks. kunne medføre at produktiviteten til geleplankton øker på bekostning av dyreplankton (åte) og da reduseres næringsgrunnlaget til fiskerbestander. For å kunne vurdere energistrømmen i og gjennom et økosystem eller havområdet er kunnskap om primærproduksjon avgjørende. Her er man i den heldige situasjon at økologisk kunnskap fra den norske havområder i nord, med unntak av Framstredet, er stor (e.g. Sakshaug et al. 1991; Wassmann, 2002; Wassmann, 2006; Wassmann et al. 2008). Man skiller mellom 3 basale former for primærproduksjon. Den totale primærproduksjon (ofte også bare kalt primærproduksjon) består av 2 forskjellige former: den nye produksjon og den regenererte produksjon. Den nye produksjon er basert på nye næringssalter. I havet er det som oftest nitrogen som er det begrensende næringselement (kiselalger trenger også silikat; tidvis kan også fosfat
være begrensende). De nye nitrogen er nitrat (til havs består det av a) vinterakkumulert nitrat og b) nitrat fra vertikal blanding). De regenererte nitrogen er ammonium og det stammer fra organismers nedbrytning av organisk materialet. Våroppblomstringen er dominert av nitratopptak og derved er den nye produksjonen høy om våren. I løpet av våren og sommeren nedbrytes mer og mer av det organiske materialet fra primærproduksjonen og ammonium skilles ut av heterotrofe organismer, som bakterier, mikrodyreplankton og raudåte. Planteplankton tar da opp mer og mer ammonium og primærproduksjon er dominert av regenerert produksjon. Den regenererte produksjon er i prinsipp et perpetuum mobile som resirkulerer stoff og energi over lengre tidsperioder, men som ikke gir opphav til høstbar produksjon: organisk materialet produseres like fort som det brytes ned. Årsaken at man ønsker å skille mellom ny og regenerert produksjon er at den økologiske produktiviteten fastlegges av den nye produksjon. Et annet utrykk for ny produksjon er høstbar produksjon. Ny og høstbar produksjon er den størst mulige mengde biomasse som kan ekstraheres fra et økosystem uten å redusere dens bæreevne. Forholdet mellom total primærproduksjon (P T ) og ny produksjon (P new ) defineres gjennom et brøk: P new /P T = f. f er nesten 1 under oppstarten av våroppblomstringen og minker etter hvert til f. eks. 0.2. Det gjennomsnuttlige f brøk er også viktig for en karakterisering av økosystemer. To økosystemer som begge har en P T på 100 g C m -2 år -1, men en f brøk på 0.3 og 0.6 har svært forskjellig høstbar produksjon eller bære evne: henholdsvis 30 og 60 g C m -2 år -1. I de farvann som omfattes av denne rapporten er f i gjennomsnitt rundt 0.4 i sør og 0.6 i nord. Kriterier for å identifisere viktige områder for primærproduksjon For å systematisere et kompleks datamateriale og for lette sammenligning av områder med forskjellig produktivitet, inndeles den totale primærproduksjon i følge internasjonale tradisjoner i oligotrof, mesotrof, eutrof og hypertrof, dvs. 0-50, 50-100, 100-200 og > 200 g C m -2 år -1. Bakgrunn for identifisering danner en fysisk-biologisk koplet, 3 dimensjonal økosystemmodell (SINMOD), utviklet ved SINTEF Aquaculture & Fisheries, med Dag Slagstad som ankerperson. Modellen ble utviklet i samarbeid med Paul Wassmann og er beskrevet i Slagstad & McClimans (2005) and Wassmann et al. (2006). Den ble utvidet under Norge forskningsråd NORDKLIMA prosjektet Carbon flux and ecosystem feed back in the northern Barents Sea in an era of climate change (CABANERA; Wassmann et al. 2008) til å omfatte største delen av det europeiske Arktis. Det er dette modellområdet som ligger til grunnen for de data og figurer som presenteres her. Modellen dekker havområdet som dekkes av forvaltningsplanen bra, men oppløsningen rundt Jan Mayen er dårlig. Identifisering av områder og tidsperioder med særlig høy produktivitet Identifisering av slike områder kan være vanskelig. Primærproduksjon er en basal, økologisk prosess som sørger for organisk materiale for alle komponenter i et økosystem. Dersom man ser bort fra de 4 tradisjonelle kategorier for økologisk produktivitet kan man særlig på kortere tidsintervaller (se Fig. 7a til 11a) identifisere særlig produktive områder. Hvilke planteplanktonorganismer som er involvert i disse perioder er vanskelig å identifisere. Ofte legges det vekt på kiselalgers betydning for livet i havet. Langs Norskekysten og særlig i Barentshavet er silikatkonsentrasjoner ofte lave og kiselalgenes
betydning, sammenlignet med andre områder, mindre. Kiselalger og andre større arter utgjør en mindre del av den total algeproduksjon gjennom året. Når ny produksjon er høy dominerer ofte de større planteplanktonartene, men over store deler av den produktive periode består planteplankton av små former som ikke kan direkte beites av viktige arter som f. eks. raudåte. Den mikrobielle sløyfen, som dominerer i alle perioder, unntatt våren eller produktivitetsmaksima, er så langt ikke godt studert i nord. Ulike metoder, anbefaling og valg av metodikk for identifisering Primærproduksjon måles ved hjelp av to ulike metoder. Enten måler man produksjon av O 2 eller som inkorporering av radioaktiv merket CO 2. For disse to metodikker forefinnes det tallrike verk som beskriver metodikken. Det er gjennomført mange primærproduksjon målinger i de farvann som omfattes av denne rapporten. Disse er som oftest dagsmålinger og man har ikke mange nok målinger fra et sted at man kan bestemme den årlige primærproduksjonsraten. Direkte målinger kan derfor ikke benyttes til å identifisere spesielle områder som peker seg ut som særlig viktige for den økologiske produktiviteten i havområdet som dekkes av forvaltningsplanen. Den eneste metoden som kan anvendes for å svare på spørsmålet er en fysisk-biologisk koplet, 3 dimensjonal økosystemmodell der primærproduksjon kan estimeres over større havområder og tidsperioder. Slike modeller baserer seg på hele den økologiske kunnskap fra regionen som er skaffet til veie av presise målinger ulike steder eller på ulike tidspunkter. Modellen setter den generelle økologiske kunnskapen i et helhetlig system. En modell viser aldri noe annet enn det man har lagt inn i den. Den gir et komplekst svar og ser prosessene i relasjon til alle prosesser som innvirker og bestemmer utfallet samtidig. En hver modell må valideres, dvs. sammenlignes med reelle målinger. Dette har vært gjort for det sentrale Barentshavets vedkommende, men fra andre regioner som behandles her finnes det ikke nok data. For disse regioner leverer modellen et forslag, til valideringsdata foreligger. Modeller utvikles fortløpende og kvaliteten av deres beregninger blir bedre over tid. Særlig etter at man har utvidet modellen til nye områder og validert resultatene fra regionen. Det havområdet som omfattes i denne rapporten er alt for stort at det noensinne kan utforskes med direkte undersøkelser i felt. På bakgrunn av de omfattende spørsmål som ønskes rapportert og evaluert her, er anvendelse av en fysisk-biologisk koplet, 3 dimensjonal økosystemmodell den eneste mulige fremgangsmåten. B. Identifisering av viktige områder for økologisk produktivitet Identifisering av viktige områder for produktivitet (gjennomsnittlig produktivitet) Den gjennomsnittlige primærproduksjon for tidsperioden 1995 til 2007 er vist i Fig. 1. Betydning av atlantisk vann er tydelig: alle områder som er dominert av atlantisk vann er eu- eller hypetrof (dvs. har > 100 g C m -2 år -1. Området omfatter alle de viktige, norske fiskeområder. De områder som er periodevis dekket med sjøis (Framstredet, nord for Svalbard og nordvest i Barentshavet) er mesotrof mens primærproduksjon-regime i Polhavet er oligotrof (< 50 g C m -2 år -1 ).
Fig. 1. Gjennomsnittlig primærproduksjon for perioden 1995-2007 (g C m -2 år -1 ) Dekadiske anomalier for primærproduksjon Avviket i primærproduksjon i klimaperioden 1995-2007 er vist i Fig. 2 (standardavvik/ gjennomsnitt, dvs. dekadiske anomalier). Figuren viser hvor den største variabilitet i primærproduksjon finnes. Variabilitet i den atlantiske sektoren er lav. Områder med høy produktivitet har derfor også lav klimatisk variabilitet når det gjelder primærproduksjon. Variabiliteten øker i Barentshavet fra sydøst mot nordvest og er høyest i Polhavet. Årsak til variabiliteten i primærproduksjon finnes i variasjoner i isdekket og utvikling i de fremtidige anomaliene må først og fremst søkes i utvikling av isdekket. Fig.2. Dekadiske anomalier av primærproduksjon for perioden 1995-2007 (Standardavvik/
Variabilitet i produktivitet (varme og to kalde år) Det finnes betydelige variasjoner i primærproduksjon i varme (lite is) og kalde år (mer is). Figurene 3 og 4 viser den årlige primærproduksjon i 1995 og 2006 som var varme år. Særlig i 2006 var primærproduksjon langs norskekysten høy. Den strekte seg langt inn i Barenshavet. Under de kalde årene 1998 og 2003 var produktiviteten langs norskekysten lavere. I kalde eller varme finnes det derfor forskjeller i primærproduksjon, særlig i den atlantiske sektoren. Fig. 3. Primærproduksjon i det varme år 1995 (g C m -2 år -1 )
Fig. 4. Primærproduksjon i det varme år 2006 (g C m -2 år -1 ) Gjennomsnittlig, månedlig primærproduksjon (april til september) I figurene 7 til 12 vises den månedlige, gjennomsnittlige primærproduksjon (A) for den produktive perioden, månedene april til september g C m -2 måned -1 ). I April starter primærproduksjon som et tynt bånd langs Norskekysten og i alle fjorder (Fig. 7a). Dette skyldes bl. a. tilførsel av ferskvann. Den høyeste produktivitet i april er < 14 g C m -2. May viser betydelig økning i primærproduksjon (opp til 40 g C m -2 ). Norskekysten, særlig rundt og syd for Lofoten, i fjordene og sokkelen utenfor Vest- Spitsbergen utmerker seg særlig (Fig. 8a). Primærproduksjon kulminerer i juli med høye rater langs hele Norskekysten, Norskehavet, det østlige Framstredet og det sentrale og sydlige Barentshavet (Fig. 9a). I nord er primærproduksjon fremdeles redusert pga. isdekket. I Vestfjorden og rundt Lofoten er primærproduksjonen allerede redusert. Likeså er den noe redusert og øst for Svalbardbanken. Dette skyldes økt lagdeling på banken og reduserte næringssalttilførsel gjennom arktisk vann fra nord. I juli er primærproduksjonen klart mindre enn i juni (Fig. 10a). Dette viser seg på de fleste steder, særlig langs Norskekysten og i fjordene. Langs sokkelskråningen fra Lofoten og nordover er primærproduksjonen fremdeles høy og det skyldes vertikal blanding som pumper næringssalter oppover. Også rundet Svalbardbanken forblir produktiviteten høy langs sokkelkanten, mens den minker i det arktiske vann som strømmer langs det østlige Svalbard. August (Fig. 11a). I september er årets primærproduksjon på hell (Fig. 12a). Den er < 8 g C m -2 i nord og < 15 g C m -2 utenfor og sør for Lofoten. Fig. 7. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for april (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 7. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for april (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 8. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for mai (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 8. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for mai (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 9. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for juni (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 9. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for juni (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 10. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for juli (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 10. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for juli (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 11. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for august (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 11. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for august (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 12. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for september (1995-2007) (g C m -2 måned -1 ) Fig. 12. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for september (1995-2007) (Standardavvik/ I figurene 7 til 12 illustreres også de månedlige, dekadiske anomalier for primærproduksjonen (B). Det er overraskende at hovedårsaken til de årlige anomalier (Fig. 2) er forårsaket av den første delen av den produktive sesongen, dvs. april og mai (Fig. 7b og 8b). Anomaliene er sterkt langs iskanten i Framstredet og nord øst for Svalbard, dvs. i regioner som er karakterisert gjennom lav primærproduskjon. Allerede i mai er anomaliene kraftig redusert, men fremdeles i samme region (Fig.
9b). Fra juli og ut over året fremhersker mindre anomalier (Fig. 10b, 11b og 12b), men en økning utenfor sokkelskråning av Midt-Norge, Lofoten og Tromsøflaket i juli (Fig. 10b). Anomaliene i primærproduksjon er hovedsaklig forårsaket av utbredelse og tilbaketrekning av havisen som har maksimal utbredelse i perioden april-mai. Det er områdene karakterisert gjennom et avvik på 0,5 og høyere den største relative økningen i primær produksjon kan forventes i årene som kommer. Kan det identifiseres områder og tidsperioder med særlig høy produktivitet eller som er særlig viktige for økosystemenes produktivitet? På basis av den årlige primærproduksjon (Fig. 1, 3-6) er det knapt mulig å identifisere mer spesifikke og avgrensete områder med særlig høy produktivitet. Størstedelen av havområdene som dekkes av forvaltningsplanen peker seg ut med særlig høy primærproduksjon. I gjennomsnitt utmerker seg eggakanten og sokkelskråning av Tromsøflaket (Fig. 1). Fig. 1. Gjennomsnittlig primærproduksjon for perioden 1995-2007 (g C m -2 år -1 )
Fig. 3. Primærproduksjon i det varme år 1995 (g C m -2 år -1 ) Fig. 4. Primærproduksjon i det varme år 2006 (g C m -2 år -1 )
Fig. 5. Primærproduksjon i det kalde år 1998 (g C m -2 år -1 ) Fig. 6. Primærproduksjon i det kalde år 2003 (g C m -2 år -1 ) Figurene 7a til 12 a indikerer at det finnes tidvis ulike regioner med økt produktivitet: de nord-norske fjordene, sokkelen, sokkelskråningen, det vestlige Norskehavet og Vest-Spitsbergen i april/mai (Fig. 7a, 8a), det meste av Norskehavet, det sydlige og sentrale Barentshavet og sokkelskråningen rundt
Svalbardbanken og langs Vest-Spitsbergen in juni (Fig. 9a). Også juli, august og september utmerker seg at sokkelskråningen har igjen økt produktivitet: i juli og august i nord av området, i september is syd (Fig. 10a, 11a, 12a). Det byr seg ikke frem et entydig bilde når det gjelder områder eller tidsperioder med særlig høy produktivitet. Skulle man likevel identifisere noen regioner som er av særlig betydning for økosystemenes produktivitet så må det være sokkelskråningene i hele området som omfattes av forvaltningsplanen. Videre utmerker seg det sentrale og sydlige Barentshavet og Svalbardbanken seg. Områdene har relativt høy produksjon og er relativt grunt. C. Kart som eventuelt kan brukes i analysesystem for særlig verdifulle områder Det legges ved følgende kart: Fig. 1. Gjennomsnittlig primærproduksjon for perioden 1995-2007 (g C m -2 år -1 )
Fig.2. Dekadiske anomalier av primærproduksjon for perioden 1995-2007 (Standardavvik/
Fig. 3. Primærproduksjon i det varme år 1995 (g C m -2 år -1 ) Fig. 4. Primærproduksjon i det varme år 2006 (g C m -2 år -1 ) Fig. 5. Primærproduksjon i det kalde år 1998 (g C m -2 år -1 )
Fig. 6. Primærproduksjon i det kalde år 2003 (g C m -2 år -1 ) Fig. 7. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for april (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 7. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for april (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 8. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for mai (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 8. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for mai (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 9. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for juni (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 9. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for juni (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 10. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for juli (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 10. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for juli (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 11. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for august (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 11. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for august (1995-2007) (Standardavvik/ Fig. 12. a) Gjennomsnittlig primærproduksjon for september (1995-2007) (g C m -2 måned -1 )
Fig. 12. b) Dekadiske anomalier av primærproduksjon for september (1995-2007) (Standardavvik/ Litteratur Sakshaug E, Hopkins C.C.E., Øritsland, N.A. (Eds) 1991. Proceedings of the Pro Mare Symposium on Polar Marine Ecology, Trondheim, 12-16 May 1990. Polar Research 10, 1-610. Slagstad, D. & McClimans, T. 2005. Modelling the ecosystem dynamics of the marginal ice zone and central Barents Sea. I. Physical and chemical oceanography. J. mar. Systems 58: 1-18 Wassmann, P. 2002. Seasonal C-cycling variability in the open and ice-covered waters of the Barents Sea: an introduction. Journal of marine Systems 38, 1-7. Wassmann, P. 2006. Structure and function of contemporary food webs on Arctic shelves: an introduction. Progress in Oceanography 71, 123-128. Wassmann, P., Slagstad, D., Wexels Riser, C. & Reigstad, M. (2006). Modelling the ecosystem dynamics of the marginal ice zone and central Barents Sea. II. Carbon flux and interannual variability. J. mar. Systems 59: 1-24. Wassmann, P., Carroll, J., Bellerby, R (2008). Carbon flux and ecosystem feed back in the northern Barents Sea in an era of climate change. Deep-Sea Res. 55: 2143-2398.