Metabolism of the coastal ocean, from the local scale (Scheldt estuary, Randers Fjord and Palma bay) to the European scale
Métabolisme des écosystèmes côtiers : de l'échelle locale (fjord de Randers, baie de Palma et estuaire de l'Escaut) à l'échelle européenne
Résumé
The coastal zone, the transition area between land and the open ocean, receives considerable amounts of freshwater, nutrients as well as dissolved and particulate organic matter. These inputs make the coastal zone a very biogeochemically active area. The trophic status of the coastal zone, that is whether it is autotrophic or heterotrophic, is still a matter of debate. The present work had three main objectives: (1) to compile and analyse a bibliographic database of benthic and planktonic primary production (GPP) and community respiration (CR) measured by incubation methods and by the Land-Ocean Interaction in the Coastal Zone (LOICZ) budgeting approach in the European coastal zone, (2) to test different methods to estimate the functioning of three European coastal sites (Randers Fjord, Palma Bay and Scheldt Estuary). These methods are the classical O2 incubation technique, the LOICZ budgeting procedure and other open-system techniques such as the Response Surface Difference (RSD) method and daily cycles of dissolved inorganic carbon (DIC) and O2. Moreover, as the estimation of the gas exchange coefficient at the air-sea interface (k) is critical when applying open-system methods, this parameter and its relationship with wind speed were studied in two of the sites (Randers Fjord and Scheldt estuary) and (3) to study how the metabolic parameters such as GPP or CR both in the benthic and planktonic compartment are controlled by environmental conditions.More than 190 papers have been analysed among which 129 were integrated in a database available on the Internet (http://www.obs-vlfr.fr/eurotroph/index.php). The analysis of the bibliographic database allowed pinpointing a severe lack of knowledge in many areas of Europe such as the Eastern Mediterranean Sea, the Northern Baltic Sea and the Northern North Sea. An assessment of the net ecosystem production (NEP = GPP + CR) of the European coastal zone was not possible based on this study. Indeed, several confident estimates of parameters such as the mineralization of organic matter in the water column, the decrease of benthic production and respiration with depth and the distribution of macrophytes are lacking.The different methods tested during this study generally provided consistent results although each of these is associated with significant errors and uncertainties which limit their use to specific sites and conditions. Particularly, the LOICZ procedure applied to dissolved inorganic phosphorus (DIP) failed to provide a realistic estimate of the trophic status in the Scheldt estuary. This is due to a strong impact of abiotic processes such a sorption and desorption to and from suspended matter and sediments on the non-conservative DIP flux in this highly turbid system. Open-system methods suffer from the difficulty to estimate with accuracy the gas exchange coefficient. Although the relation linking this parameter to the wind speed was shown to be site-specific, the validation of thisμ relationship in the Scheldt estuary using the LOICZ approach applied to DIC was not possible due to strong associated errors and uncertainties. Finally, significant differences observed between GPP and CR estimated by incubation and open-system methods confirmed previous results and suggest that future works should focus on this matter.The three sites investigated were well contrasted: from the nutrient-rich and turbid Scheldt estuary to the oligotrophic seagrass-dominated Bay of Palma. The metabolic parameters were well related to these environmental differences. Indeed, the highest CR rates were measured in the Scheldt estuary while GPP was strongly limited by light availability. The highest GPP was measured in the Randers Fjord where nutrient concentrations as well as water column stratification and a relatively low turbidity allowed the riverine phytoplankton to remain very active in the estuarine zone. While the Scheldt estuary was clearly the most heterotrophic site in this study, it was not possible to conclude whether the Randers Fjord or the Bay of Palma is the most productive ecosystem on an annual scale.
L'océan côtier, la zone de transition entre le continent et l'océan ouvert, reçoit des apports considérables d'eau douce, de sels nutritifs ainsi que de matière organique dissoute et particulaire en provenance du continent. Ces apports font que la zone côtière est une région très active du point de vue biogéochimique. Le statut trophique de l'océan côtier, distinction entre l'autotrophie et l'hétérotrophie) est un sujet encore très discuté. L'étude présentée ici a trois objectifs: (1) de compiler et analyser une base de données bibliographique concernant la production primaire brute (GPP) et la respiration communautaire (CR) benthiques et planctoniques, mesurées par des incubations et par l'approche budgétaire Land-Ocean Interaction in the Coastal Zone (LOICZ) au niveau de la zone côtière européenne. (2) de tester différentes méthodes d'estimation du métabolisme de trois sites côtiers européens. Ces méthodes sont la méthode classique d'incubations O2, la méthode LOICZ et d'autres méthodes en système ouvert telles que la méthode Response Surface Difference (RSD) et l'utilisation de cycles journaliers de carbone inorganique dissous et d'O2. De plus, étant donné que l'estimation du coefficient d'échange de gaz à l'interface air-mer (k) est critique lors de l'utilisation de méthodes en système ouvert, ce paramètre et sa relation avec la vitesse du vent ont été étudiés dans deux des sites (Fjord de Randers et estuaire de l'Escaut). (3) d'étudier la relation existant entre les paramètres métaboliques tels que GPP ou CR dans les compartiments benthiques et planctoniques.Plus de 190 publications ont été analysées dont 129 ont été intégrées à une base de données consultable sur Internet (http://www.obs-vlfr.fr/eurotroph/index.php). L'analyse de cette base de données a permis de mettre en avant un sévère manque mesures dans de nombreuses régions telles que le bassin Est de la mer Méditerranée, le nord de la Baltique et le nord de la mer du Nord. Une estimation de la production nette (NEP = GPP+ CR) de la zone côtière européenne n'a pas été possible dans cette étude. En effet, des estimations fiables de paramètres tels que la minéralisation de matière organique dans la colonne d'eau, la diminution de la production et respiration benthique avec la profondeur et la distribution des macrophytes, font cruellement défaut.Les différentes méthodes testées ont fourni des résultats le plus souvent similaires, bien que chacune d'elles soit associée à une marge d'erreur significative qui limite son utilisation à des sites et conditions bien particuliers. La méthode LOICZ basée sur le phosphore inorganique dissous (DIP) n'a pu fournir un résultat réaliste dans l'estuaire de l'Escaut. Ceci est dû à un fort impact de processus abiotiques sur le flux non-conservatif de DIP, tels que l'adsorption/désorption sur ou à partir de particules en suspension et/ou du sédiment, dans ce système très turbide. Les méthodes en milieu ouvert souffrent de la difficulté d'estimer de façon fiable le coefficient d'échange de gaz à l'interface air-mer (O2 ou CO2). Bien qu'il ait été montré que la relation liant ce paramètre à la vitesse du vent dépendait du site étudié, la relation établie pour l'estuaire de l'Escaut n'a pu être validée en utilisant la méthode LOICZ appliquée au DIC en raison des fortes erreurs associées. Finalement, les différences significatives observées entre les estimations de GPP et CR à partir des incubations et des méthodes en système ouvert confirment les résultats de travaux antérieurs et mériteraient une attention particulière à l'avenir.Les trois sites étudiés sont bien contrastés: du turbide et eutrophisé estuaire de l'Escaut à la baie oligotrophe dominée par les macrophyte (Palma). De relations significatives entre les paramètres métaboliques et les conditions environnementales ont été montrées. En effet, les plus fortes CR ont été mesurées dans l'Escaut tandis que la GPP y était très sévèrement limitée par la disponibilité en lumière. Les plus fortes GPP ont été mesurées dans le fjord de Randers où les concentrations en sels nutritifs ainsi que la stratification de la colonne d'eau et la faible turbidité permettent au phytoplancton en provenance de la rivière de continuer à produire dans la zone estuarienne. Tandis que l'estuaire de l'Escaut est clairement le site le plus hétérotrophe, il a été impossible de différencier les métabolismes de la baie de Palma et du fjord de Randers sur une échelle annuelle.
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