Secchi depth in the Baltic Sea an indicator of eutrophication

Secchi depth, a proxy of water clarity, is widely applied as an indicator of eutrophication or water quality both in open-sea- and coastal areas. In optically complex waters, such as the Baltic Sea, Secchi depth is known to respond to several components yet its performance, or possible restrictions, have not been explored. In this study, I investigated long-term changes in Secchi depth. I also explored the structure, scientific basis and use of Secchi depth as an indicator of eutrophication in the Baltic Sea. Secchi depth decreased in the open Baltic Sea during the last century (Paper I). The decrease was especially intense in the northern areas, amounting to 3.3 4.0 m (averaging 0.033 0.040 m y-1), when comparing summer time averages in 2005 2009 to those observed one hundred years earlier. The decrease was proposed to be strongly linked with documented simultaneous increase in chlorophyll-a concentration (Papers I, III). A closer look at the Finnish coastal areas, where a national monitoring program has taken place since 1970, revealed clear decreasing trends only in the Archipelago Sea accompanied by opposing trends in chlorophyll-a (Paper II). Contradictory to this, and to the development in adjacent open sea areas, Secchi depth was observed to increase in the coastal Bothnian Sea, Quark and Bothnian Bay. I suggest the increase was at least partly a consequence of decreased concentrations of dissolved iron in the surface waters near the coast. The relationship between Secchi depth and total organic carbon (TOC) was tested, but a significant relationship was not found indirectly indicating that a large part of organic carbon was colorless. Unfortunately, the long-term coastal dataset did not allow comparison to suspended inorganic matter, leaving the possible effect of potentially important coastal constituent unrevealed. The effect of the main optical constituents on light attenuation in the open sea were investigated through a bio-optical model setup, in order to resolve how the Secchi depth indicator should be applied in different parts of the Baltic Sea (Paper III). Secchi depth was shown to be highly sensitive to variation in both phytoplankton (by chlorophyll-a as proxy) and colorful dissolved organic matter (CDOM). As expected, based on the high spatial gradients in both optical constituents, the evaluation against monitoring data called for sub-basin-wise adjustments to the model outcome. Secchi depth is often applied together with other indicators, including chlorophyll-a. The modelling exercise revealed, that the environmental targets for Secchi depth, set by the Baltic Sea coastal states via their collaboration through the Baltic Marine Environment Protection Commission (HELCOM), were stricter than those set for chlorophyll-a. To facilitate future management use of the Secchi depth indicator, I made an effort to characterize it in relation to indicators in general. Secchi depth is a commonly applied and well established indicator of eutrophication and water quality in the Baltic Sea. It is technically relatively advanced: quantitative, regularly monitored, and includes ecological targets as well as documented methodology. It is also easily understood by the public. On the other hand, though simple to associate, it is a composite indicator, which requires case-specific analysis before its role in the eutrophication process can be accurately defined. Finally, Secchi depth was applied in the Baltic Sea eutrophication status assessment (Paper IV), and alternative ways to apply the indicator were explored. According to the assessment 2007-2011, all open-sea areas of the Baltic Sea were severely affected by eutrophication. Due to the deteriorated status of all indicators, variation in the construction of the assessment did not affect the general outcome. Secchi depth on its own expressed deteriorated status in most areas, meeting its environmental target only in the Bothnian Bay. The strong relationship between Secchi depth and chlorophyll-a motivates the use of Secchi depth as a eutrophication indicator throughout the open Baltic Sea. The strong association to CDOM, however, presents a combination of possible additional autochthonous as well as allochthonous signals. The sensitivity of Secchi depth to the main optical constituents varies between open-sea areas, and furthermore, needs to be addressed separately in the coastal zone, where inorganic constituents are expected to be significant. Being a composite indicator, Secchi depth was found suitable for expressing eutrophication together with other indicators; relying on Secchi depth alone would introduce a risk of misinterpretations, especially when the role of water clarity in the ecosystem is not solved area-specifically. On the other hand, Secchi depth may turn to be valuable in reflecting signals not currently captured by other indicators.Näkösyvyys kertoo veden kirkkaudesta. Sitä on käytetty laajasti rehevöitymisen tilan ja vedenlaadun osoittimena (indikaattorina) sekä avomerellä että rannikonläheisillä merialueilla. Itämeren tyyppisissä, optisesti monimuotoisissa vesissä se reagoi useisiin veden ominaisuuksiin. Silti sen suorityskykyä osoittimena, tai käyttöön liittyviä rajoituksia, ei ole liiemmin selvitetty. Tässä työssä tarkastelen näkösyvyyden pitkäaikaismuutoksia Itämerellä. Tutkin myös näkösyvyys-osoittimen ominaisuuksia ja käyttömahdollisuuksia. Kuluneen vuosisadan aikana Itämeren näkösyvyys laski (Julkaisu I). Voimakkainta lasku oli pohjoisilla alueilla, yltäen 3.3 4.0 m sadassa vuodessa (keskiarvona 0.033 0.040 m v-1). Esitän, että näkösyvyyden lasku liittyy vahvasti samaan aikaan tapahtuneeseen levämäärän (a-klorofyllipitoisuus, lehtivihreän määrä) lisääntymiseen pintavedessä (Julkaisut I, III). Vuodesta 1970 alkaen jatkunut seuranta mahdollisti Suomen rannikkoalueiden näkösyvyysmuutosten lähemmän tarkastelun. Saaristomerellä todettiin selkeä laskeva suuntaus ja samanaikainen levämäärän lisääntyminen (Julkaisu II). Selkämeren, Merenkurkun ja Perämeren rannikoilla suuntaus oli päinvastainen: näkösyvyyden todettiin kasvaneen, mikä oli ristiriidassa myös näitä rannikkokaistaleita ympäröivien avomerialueiden kehityksen kanssa. Esitän että veden kirkastuminen kyseisissä vesissä on ainakin osittain seurausta liuenneiden rautayhdisteiden määrän vähenemisestä. Näkösyvyyden ja kokonaishiilen (TOC) määrän muutoksia testattiin myös suhteessa toisiinsa, ilman näyttöä merkitsevästä riippuvuudesta minkä tulkitsin johtuvan siitä, että ainakin osa veteen liuenneesta hiilestä on väritöntä. Kiintoaineen suhteen vertailua ei ikävä kyllä ollut mahdollista tehdä, joten sen merkitystä näkösyvyyden muutoksiin rannikolla ei pystytty tutkimaan. Pohdin Itämeren avomerialueiden tärkeimpien valon vaimenemiseen vaikuttavien ainesosien vaikutusta näkösyvyyteen bio-optisen mallijärjestelyn avulla (Julkaisu III). Tämä auttoi selvittämään kuinka näkösyvyysosoitinta tulisi soveltaa Itämeren eri osissa. Näkösyvyys osoittautui olevan herkkä sekä levämäärän (lehtivihreän kautta tulkittuna) että humusaineiden (CDOM) vaihtelulle. Herkkyys vaihteli alueellisesti siinä määrin, että mallin tuloksia jouduttiin sovittamaan merialuekohtaisesti. Näkösyvyyttä hyödynnetään tilanarvioissa usein yhdessä muiden osoittimien, kuten levämäärän, kanssa. Mallinnuksen seurauksena päädyin esittämään, että näkösyvyydelle kansainvälisesti, Itämeren Suojelukomission (HELCOM) toimesta asetetut ympäristön hyvän tilan tavoitetasot ovat levämäärälle asetettuja tavoitteita kunnianhimoisemmat. Tukeakseni näkösyvyysosoittimen tulevaa käyttöä, tein arvion sen ominaisuuksista suhteessa osoittimiin yleensä. Näkösyvyys on jo laajasti käyttöönotettu rehevöitymisen ja vedenlaadun osoitin Itämerellä. Se on teknisesti kehittynyt: määrällinen (kvantitatiivinen), säännöllisesti seurattu (monitoroitu), menetelmiltään todennettu osoitin, jolle on kyetty määrittämään hyvän tilan tavoitetasot. Se on myös helposti ymmärrettävä ja käytännönläheinen. Vaikka se on toiminnallisesti yksinkertainen, on se rehevöitymiseen liittyvien syy-seuraussuhteiden osalta monimutkainen, ja edellyttää siltä osin aluekohtaisen analyysin ennen käyttöönottoa. Tutkin lopuksi näkösyvyyden käyttöä Itämerenlaajuisessa rehevöitymisen tilanarviossa (Julkaisu IV), kokeillen vaihtoehtoisia tapoja yhdistellä sitä muiden osoittimien kanssa. Vuosille 2007-2011 määritetyn Itämeren tilanarvion perusteella kaikki avomerialueet olivat rehevöityneitä. Erikseen jokaisen rehevöitymisen tilan osoittimen kautta tulkittuna tulos oli useimmilla alueilla sama, joten niiden uudelleenryhmittelyllä ei ollut vaikutusta kokonaistilanarvioon. Yksin näkösyvyyden kautta arvioituna rehevöitymisen tila oli huono useimmilla avomerialueilla, Perämerta lukuun ottamatta. Näkösyvyyden voimakas riippuvuus levämäärään kannustaa hyödyntämään sitä rehevöitymisen tilan osoittimena kautta Itämeren. Humusaineilla, joista merkittävä osa on maalta peräisin, on lisäksi vaikutusta vedenkirkkauteen tämä tekee osoittimesta herkän myös rehevöitymisen ulkopuolisille muutoksille. Tämä herkkyys vaihtelee alueellisesti, ja se tulee ottaa huomioon ja suhteuttaa olosuhteisiin niin rannikoilla kuin avomerellä. Näkösyvyys on parhaimmillaan ympäristön tilanarvioissa yhdessä muiden osoittimien kanssa. Luottaminen yksinomaan tämän syy-seuraussuhteiltaan monimuotoisen osoittimen viestiin altistaa virhetulkinnoille, erityisesti mikäli vedenkirkkauden syitä ja riippuvuuksia ei ole selvitetty aluekohtaisesti. Toisaalta, yhdessä muiden osoittimien kanssa näkösyys saattaa tunnistaa signaaleja jotka eivät vaikuta muihin osoittimiin