Nutrient and organic carbon budgets in the sea of Marmara : A progressive effort on the biogeochemical cycles of carbon, nitrogen and phosphorus.

Abstract

ÖZET MARMARA DENİZİ'NİN BESİN TUZU VE ORGANİK KARBON BÜTÇELERİ: KARBON, AZOT VE FOSFORUN BİYOJEOKİMYASAL ÇEVRİMLERİ ÜZERİNE İLERİYE DÖNÜK, GELİŞTİREN BİR ÇABA POLAT, Sevcan Çolpan Doktora Tezi, Kimyasal Oşinografi Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Süleyman TU?RUL Haziran, 1995, 215 sayfa Bu çalışmada, 1986-1994 döneminde Marmara Denizi ve boğazlardan elde edilen çözünmüş ve partikül haldeki besin tuzu ve organik karbon verileri değerlendirilmiştir. Çözünmüş organik azot (DON) ve amonyumun (NH^`1`) sınırlı verileri literatürden alınmıştır. Marmara'nın haloklin altı Ege kökenli sularındaki dış kaynaklı besin tuzu konsantrasyonlarının yıllık ortalama değerleri; P04 için 0.05 (xM ve N03+N02 için 1.03 jttM olarak hesaplanmıştır. Bu değerler Karadeniz yüzey girdisinde hesaplanan değerlerden yaklaşık 2 kez küçüktür. Karadeniz ve kökenli girdilerdeki toplam azot ve fosfor derişimlerinin çoğunluğunu çözünmüş ve partikül organik yapıdaki besin elementleri oluşturur. Akdeniz kökenli tuzlu sular, Marmara Denizi'ni terk ederken anorganik besin tuzlarınca yaklaşık 10-kat zenginleşir; Karadeniz kökenli yüzey Marmara suları ise göreceli olarak anorganik besin tuzlarınca fakirleşir. Marmara yüzey sularında askı haldeki partikül maddeler yıl boyunca 3 ve 30 arasında, oldukça değişken PON:PP oranları gösterir. Ancak, verilerin gruplandırılması ve bu gruplara regrasyon tekniğinin uygulanmasıyla `çok üretken` ve `az üretken` mevsimler için PON:PP oranları sırasıyla 10 ve 5 olarak bulundu. Elde edilen bu sonuç Marmara Denizi yüzey sularında azotun sınırlayıcı element olduğunu vurgulamaktadır. `Çok üretken` mevsimler için bulunan POC:PP ve POC:PON oranları ise sırasıyla 117 ve 7'dir. Marmara Denizi'nin haloklin altı sularındaki NO3:PO4=9-10 oranı ise okyanusların derin suları için verilen Redfİeld oranından ( 16) oldukça düşüktür. Yüzey ve haloklin altı suların N:P oranları karşılaştırıldığında; yoğun denitrifikasyondan çok, bahar fitoplakton çoğalması sırasında yüzey sularında oluşan düşük N:P oranlı biyokütlenin derin sulara çökmesinin etkin olduğu görülür. ivTürk Boğazlar Sistemi boyunca gerçekleşen besin tuzu ve organik karbon akılarının hesaplanmasında kullanılan su akılarının ve `toplam` kimyasal konsantrasyonlarının yıllık zaman ölçeğinde değişmediği varsayılmıştır. Marmara alt- sularından Karadeniz'e taşınan toplam fosfor (TP) yükünün (1.2x10^ tons yi) Boğaz yüzey girdisiyle (1.05x10* tons yi) dengelendiği, bunun yanısıra toplam azot ve toplam organik karbonun yıllık bazda Marmara yüzey sularına net bir girdi sağladığı bulundu. Çanakkale yüzey akışıyla Marmara'yı terk eden kimyasal yüklerin Ege'den boğaz alt akıntısı ile Marmara'ya taşınanlardan en az 3-kat fazla olması ise Marmara baseninden Ege Denizi'ne madde transferini vurgulamaktadır. Marmara alt-sularına çöken partikül organik madde yükü (Fpj^) alt-su kütle dengelerinden bulundu. Buna göre; partikül fosfor (Fpı^j(PP)) taşımım 1.6x10* tons yi ve partikül organik azot taşımını 0.6x10^ tons yi olup aralarındaki atomik oran (FpM(PON):FpM(PP)) 9 civarındadır. Alt suya yıllık taşınım partikül organik karbon (POC) cinsinden 0.72x10** tons yi ve yıllık oksijen tüketimi 1 mg H'dir. Dikey karışımla alt-sudan üst-suya taşınan besin tuzu yükleri (Fmj) ile Fpj^j arasındaki önemli fark Karadeniz ve kara kökenli girdilerin haloklin altı sulara etkisini göstermektedir. Üst-su kütle dengelerinden kara kökenli girdilerin Marmara Denizi için önem taşıdığı (örnek olarak TP yükünün %30'u gibi) belirlenmiştir. Karadeniz ve bölgesel kara kaynaklı girdilerin etkisiyle Marmara Denizi çevresel açıdan bir yıkım altındadır.

ABSTRACT NUTRIENT AND ORGANIC CARBON BUDGETS IN THE SEA OF MARMARA: A PROGRESSIVE EFFORT ON THE BIOGEOCHEMICAL CYCLES OF CARBON, NITROGEN AND PHOSPHORUS POLAT, Sevcan Çolpan Ph.D. in Chemical Oceanography Supervisor: Prof. Dr. Süleyman TU?RUL June 1995, 215 pages The nutrient and organic carbon data obtained in the the Sea of Marmara including both of the straits during the 1986-1994 period have been evaluated in this study. The scarce data of DON, NH4`4` were taken from the literature. The preformed nutrient contents of the Marmara subhalocline water of Aegean origin are 0.05 jiM for PO4 and about 1.03 juM for NO3+NO2 as annual means, which are about half the mean values in the Black Sea inflow. Thus, total phosphorus and total nitrogen in the Aegean waters are dominated by particulate and dissolved organic forms of nutrients in seawater. When these waters leave the Marmara system, the salty water becomes enriched in inorganic nutrients nearly ten-fold whilst the Marmara surface waters become slightly poor in labile nutrients. The suspended particles in the Marmara surface waters show anomalous P0N:PP ratios ranging between `3 and `30 throughout the year. However, pooling the data with regression technique in the `more` and the `less` productive seasons produces mean P0N:PP ratios of `10 and ~5, respectively. This is evidently showing the N-limited algal growth in the Marmara surface waters. POC:PP=117 and P0C:P0N=7 are fair for the productive period. 11Accordingly, the mean NC>3:P04 ratio in the subhalocline waters of the Marmara Sea is as low as 9-10, less than the classical Redfield ratio for the deep ocean system where the majority of biogenic particles produced during the spring bloom sinks out of the surface layer and denitrif ication has an insignificant effect on this fact. For the estimation of nutrient and organic carbon fluxes through the Turkish Straits System (TSS), the water fluxes and `total` chemical concentrations are assumed to be constant ön a yearly time-scale. The TP export from the Marmara lower layer to the Black Sea (1.2x10 tons y ) is nearly balanced by the Bosphorus surface influx (1.05xl04 tons y ), whereas a net input of TN and TOC from Black Sea to the Marmara occurs on the annual basis. The major chemical outf luxes from the Marmara via the Dardanelles surface flow are at least 3 times the influxes from the Aegean Sea, indicating a net mass transfer from the Marmara basin to the Aegean surface layer through the Dardanelles. The POM flux (Fpjf) to the subhalocline waters are calculated from the lower layer mass balance. The Fp^fPP) is 1.6xl04 tons y-1 and FpM(P0N) 0.6xl05 tons y_1 where the corresponding atomic ratio FPM(P0N) :Fpjy[(PP) is around 9. The annual export production is 0.72xl06 tons y-1 in terms of POC and the annual oxygen utilization rate is ~l mg l-1. The considerable difference between the upward flux of nutrients (Fmi) and Fp^ shows the Black Sea and anthropogenic impact on the exported material to the subhalocline waters. There exists a notable contribution (e.g. 30% for TP-loads) of anthropogenic inputs to the upper layer mass balance of the Sea of Marmara. Being under the effect of both Black Sea and the regional anthropogenic inputs, the Marmara Sea has become deteriorated. Ill