Rapp. Comm. int. Mer Médit., 37,2004

225

ATMOSPHERIC INPUTS OF DISSOLVED INORGANIC PHOSPHORUS AND SILICIUM TO 

NW MEDITERRANEAN OLIGOTROPHIC COASTAL WATERS: THEORETICAL IMPACT 

ON PHYTOPLANKTON DYNAMICS

Christophe Migon

1*

, Gretta Bartoli

2

, Valérie Sandroni

3

1

Laboratoire d’Océanographie de Villefranche, Université Paris 6, CNRS-INSUE, La Darse, BP 8, 

F-06238 Villefranche-sur-mer Cedex, France - * migon@oceane.obs-vlfr.fr

2

Institut für Geowissenschaften, Christian-Albrecht-Universität, Olshausenstr. 40, D-24118 Kiel, Germany - gb@gpi.uni-kiel.de

3

Laboratoire d’Océanographie et de Biogéochimie, UMR 6535, Centre d’Océanologie de Marseille, Campus de Luminy, 

13288 Marseille Cedex 09, France - Sandroniva@aol.com

Abstract

The atmospheric input of dissolved inorganic phosphorus (P) and silicium (Si) was monitored at the coastal sampling site of Cap Ferrat (Ligurian

Sea). Their theoretical impact on phytoplankton dynamics was calculated on the basis of Redfield ratios. P-enriched atmospheric events may be

responsible for significant episodic blooms, and might also episodically shift the chemical limitation of primary production in NW Mediterranean

oligotrophic waters from P to Si.

Keywords: atmospheric input; oligotrophy; primary production

There is an increasing evidence that atmospheric inputs of nutrients

have an impact on phytoplankton dynamics in oligotrophic conditions in

the open sea (1-3), particularly in the Mediterranean Sea, owing to its

reduced dimensions and because surrounding continental emission

sources of nutrients are intense and continuously increasing. The theo-

retical input of wet inputs of dissolved inorganic phosphorus (DIP) and

dissolved inorganic silicium (DISi) on primary production (PP) is

examined here.

Rainwater was collected between 1986 and 2003 (102 samples) at the

signal station of Cap Ferrat, SE coast of France (43°41’N, 7°19’30’’

E). DIP was always analysed, DISi only from 2000. Phosphate and sili-

cate were analysed by standard colourimetric methods. In both cases,

the detection limit was 0.05 µmol liter

-1

, and the blank values were

always lower than the detection limit. Details on protocols can be found

elsewhere (2, 4).

For each rain event, the wet input of a nutrient X (WI

X

) is calculated as:

WI

X

= C

X

* H

(1)

where C

X

is the nutrient concentration in rainwater and H is the rainfall

amount. Maximum monthly atmospheric inputs of DIP and DISi

averaged on the 1986-2003 dataset are given in Table 1. 

Table 1: Maximum DIP and DISi inputs measured at Cap Ferrat between

1986 and 2003, with NP triggered by DIP inputs and compared with mean

daily PP at the DYFAMED site.

Time-series data since 1991 at the DYFAMED station (Ligurian Sea,

43°25’N, 7°52’E) show that during the stratification period (July to mid-

October), the nitrate/phosphate ratio in the photic layer is always > 20

and phosphate concentrations are very low in the 0-50 m layer (5),

which confirms that P is the limiting factor in NW Mediterranean

oligotrophic conditions. Hence, phosphate concentrations in surface

waters greatly depends upon atmospheric events (1, 4, 6). In conditions

of P-limitation, atmospheric inputs of DIP theoretically yield new

productions (NP) calculated as follows:

NP = (DIP) * 106 * 12

(2)

where 106 is the Redfield ratio carbon (C):P and 12 is the molar mass

of carbon, in g mol

-1

.

Table 1 shows the maximum monthly DIP-triggered NPs averaged over

the 1986-2003 dataset (calculated from maximum DIP inputs) and com-

pares them with the mean daily PP observed at the DYFAMED site (7).

Whatever the nitrate content in atmospheric inputs, the stock of

dissolved N

2

can be considered as unlimited (assuming the existence of

organisms capable of metabolizing atmospheric N in Mediterranean

oligotrophic conditions) and, therefore, N does not limit phytoplankton

growth. PP theoretically induced by significant rain events may be

calculated on the basis of DIP wet inputs, insofar as no Si or iron limi-

tation appears. It is clear that significant rain events in autumn can trig-

ger a phytoplanktonic response able to strongly determine the mean

daily PP. Rain events may thus significantly control phytoplankton

dynamics at this period, much more than previously hypothesized (2).

Now can P-enriched rain events lead to episodic Si limitation?

Dominant Mediterranean blooming diatoms that may gain by

atmospheric Si inputs exhibit C:Si molar ratios of 4 (8). One can

compute the PP induced by DISi atmospheric inputs using the

relationship: 

NP = (DISi) * 4 * 12

(3)

The event of september 23th 2001 brought 200.1 µmol DIP m

-2

and

144.3 µmol DISi m

-2

, i.e. the Si-induced NP is much less significant

than the P-induced one. This suggests that very high P inputs do not

necessarily lead to proportional bloom of all phytoplanktonic popu-

lations. This event, although relatively rich in DISi, mostly benefit non-

siliceous species, diatoms being rapidly limited by Si. 

Although DISi data are still preliminary results, and under the

hypothesis of N

2

fixation, the possible “secondary” limitation by Si

might lead to the episodic preferential growth of non-siliceous phyto-

planktonic species. Considering the increase of anthropogenic inputs of

DIP (4), the frequency of blooms of non-siliceous species might

increase too, which is in agreement with forecasting of Béthoux and co-

workers (9). Future works should therefore focus on the study of

specific phytoplanktonic biomasses related to atmospheric events,

through pigment analysis. 

This work was supported by the PROOF project MELISSA. We are

grateful to the Service d’Observation DYFAMED for time-series data.

References

1-Migon, C., Copin-Montégut, G., Elégant, L., Morelli, J., 1989. Etude

de l’apport atmosphérique en sels nutritifs au milieu côtier méditerranéen

et implications biogéochimiques. Oceanol. Acta,12: 187-191.

2-Migon, C., V. Sandroni. (1999) Phosphorus in rainwater: partitioning,

inputs and impact on the surface coastal ocean. Limnol. Oceanogr., 44:

1160-1165.

3-Ridame, C., Guieu, C., 2002. Saharan input of phosphorus to the

oligotrophic water of the open western Mediterranean. Limnol. Oceanogr.,

47: 3, 856-869.

4-Migon, C., Sandroni, V. Béthoux, J.P.,  2001. Atmospheric input of

anthropogenic phosphorus to the northwest Mediterranean during the

oligotrophic season. Mar. Environ. Res., 52: 413-426.

5-Marty, J.C., Chiaverini, J., Pizay, M.D., Avril, B., 2002. Seasonal and

interannual dynamics of nutrients and phytoplankton pigments in the

Western Mediterranean Sea at the DYFAMED time-series station (1991-

1999). Deep-Sea Res. II, 49: 1965-1985.

6-Bergametti, G., E. Remoudaki, R. Losno, E. Steiner, B. Chatenet, P.

Buat-Ménard. 1992. Source, transport and deposition of atmospheric

phosphorus over the northwestern Mediterranean. J. Atmos. Chem.,14:

501-513.

7-Marty, J.C., Chiaverini, J. 2002. Seasonal and interannual variations in

phytoplankton production at DYFAMED time-series station,

Northwestern Mediterranean Sea. Deep-Sea Res. II, 49: 2017-2030.

8-Dafner, E.V., Boscolo, R., Bryden, H.L., 2003. The N:Si:P molar

ratio in the Strait of Gibraltar. Geophys. Res. Lett., in press.

9-Béthoux, J.P., Morin, P., Ruiz-Pino, D., 2002. Temporal trends in

nutrient ratios: chemical evidence of Mediterranean ecosystem changes

driven by human activity. Deep-Sea Res. II, 49: 2007-2016.