Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

94

RELATIVE CONTRIBUTION OF EUTROPHICATION AND HYDROMORPHOLOGY TO BOTTOM OXYGEN

DEFICIENCY: THE CASE OF THE MEDITERRANEAN AND BLACK SEAS

Jean-Noël Druon 

(1)*

, Wolfram Schrimpf 

(1)

, Srdjan Dobricic 

(1)

, Elisaveta Peneva 

(1)

, Alex Lascaratos 

(2)

, 

Sarantis Sofianos 

(2)

, Pierre Garreau 

(3)

, Samuel Djavidnia 

(1)

(1) 

European Commission-Joint Research Centre, Institute for Environment & Sustainability, Inland & Marine Waters Unit, 

TP 272, I-21020 Ispra (VA) - Italy - * jean-noel.druon@jrc.it 

(2)

University of Athens, Ocean Physics and Modelling Group University Campus, Building PHYS-V, 15784, Athens, Greece

(3)

IFREMER – Center of Brest, DEL/AO, BP 70, 29280 Plouzané, France

Abstract

As hydromorphology plays a key role in isolating bottom waters from vertical and horizontal supply of oxygen, its contribution to bottom

oxygen deficiency is discussed relatively to eutrophication (oxygen sink). If nutrient over-enrichment of margins is largely responsible of

cultural eutrophication and seasonal hypoxia or anoxia (northern Adriatic Sea and north-west Black Sea), permanent stratification leads to

anoxia rather independently of the trophic conditions (deep Black Sea). In case climatic changes favour a decrease of the hydrodynamics,

and particularly when stratification is reinforced in its extension or duration, the contribution of hydrology to bottom oxygen deficiency

would significantly increase.

Keywords: oxygen deficiency, hydromorphology, eutrophication, Mediterranean Sea, Black Sea

Eutrophication is defined [1] as ‘an increase in the rate of supply of

organic matter to an ecosystem’. Besides this main direct effect and

the causative factors, e.g. nutrient enrichment, a holistic assessment of

eutrophication should include the supporting environmental factors,

e.g. hydromorphological conditions, and the indirect effects, e.g.

oxygen deficiencies or changes in benthic community structure. We

propose here to investigate the in?uence of bathymetry and hydrology

on bottom oxygen deficiency in the Mediterranean and Black Seas.

The monthly mean data is extracted from 3D physical models based

on climatology (or a mean of several years).

Bottom hypoxia is mainly controlled by the load of particulate

organic matter (POM) that reaches the bottom and the physical

capacity of the system to renew the near bottom oxygen [2].

These enclosed seas are mostly characterized by an important water

column in which the POM degradation mainly occurs. However, in

two important continental shelves, i.e. the northern Adriatic Sea and

the north-west Black Sea, a significant fraction of the POM fuelled by

the Po and Danube rivers reaches the sea bottom of the continental

shelf. In both cases, poor hydrodynamical conditions limits the

vertical (mixing) and horizontal (transport) oxygen supply to the

bottom waters leading to seasonal hypoxia/anoxia. The summer

stratification favours in these areas the primary production as nutrient

and light are available near the surface. The stratification, together

with low bottom friction (not shown), isolates bottom waters from the

vertical supply of oxygen. The low advection near the sea bed (Fig.1)

contributes in reducing the horizontal supply of oxygen.

Fig. 1. Mean bottom advection of the benthic layer (cms

-1

) for August in

the Mediterranean and Black Seas. Dark colours represent unfavourable

conditions as regards to oxygen deficiency. Striped areas are regions not

covered by the models.

The gathering of these unfavourable hydromorphological

conditions in both continental margins of the Adriatic and Black Seas

increases the effect of nutrient over-enrichment leading to seasonal

oxygen deficiencies. In areas where the margin extension is small, the

eutrophication-induced risk of hypoxia is limited in case the

stratification is seasonal. The permanent halocline encountered in the

Black Sea (Fig.2) increases tremendously the physical sensitivity to

oxygen deficiency. The bottom waters are permanently isolated and

the oxygen bulk is consumed progressively even when the surface

productivity is relatively low. It is thus suggested that the deep

Mediterranean Sea is protected from oxygen deficiency by the

absence of permanent stratification. 

Fig.2. Mean stratification intensity (kgm

-4

) for February in the

Mediterranean and Black Seas. Dark colours represent unfavourable

conditions as regards to oxygen deficiency. Striped areas are regions not

covered by the models.

Beside the nutrient loads from rivers, the impact of eutrophication

is therefore largely controlled by the morphology of the receiving

coastal area (semi-enclosed or open and water depth) and the regional

hydrology (stratification, bottom friction, transport). In case of

permanent stratification, anoxia can occur rather independently of the

trophic condition. It is concluded that climatic changes which would

lead to a decrease of the hydrodynamics, and particularly those which

would reinforce the stratification either seasonally or permanently,

would increase the sensitivity to bottom hypoxia and alter

consequently the ecosystem functioning.

References

[1]Nixon S.W. (1995) Coastal marine eutrophication: A definition, social

causes, and future concerns. Ophelia,41: 199-219.

[2]Druon J.N., Schrimpf W., Dobricic S., Stips A. (submitted)

Comparative assessment of large scale marine eutrophication: North Sea

area and Adriatic Sea as case studies, Mar. Ecol. Prog. Series.