Limnologische Berichte der X. Jubiläumstagung Donauforschung. Sofia 1968.

CHEMISCHER UND SCHWEBSTOFFABFLUSS DER DONAU IM SCHWARZEN MEER

CHEMICAL AND HEAVY METAL OUTFLOW FROM THE DANUBE INTO THE BLACK SEA.
von A. V. Rojdestvensky Bulgarien

English abstract: The dissolved and suspended matter, transported from the Danube into the Blacks Sea, have great significance for their chemical and biological productivity. The entire basic studies on the chemical and suspended materiasl flowing from the Danube are presented here and in earlier articles by Almasov.
But only the uninterrupted, systematical observations lasting for years have allowed one to record the dynamics of the annual changes and their influence on the sea. The consideration of the consecutive periods of the observations showed the possibility to find some trends of the changes during these periods.
In particular our research in the period 1962/1965 that are to be evaluated as a continuation of our studies of the preceding years, have indicated some characteristic change. For example, the entire mineralization (Sum of the main ions) shows a trend towards the increase. In the period 1950- in 1954 it is 292 mg/l, in the year 1954-1961, -318 mg/1 and in the year 1962-1965 of -321 mg/l, in spite of the increase of the average level of the last period.
Simultaneous can one also observe some changes in the relationship of the ions with a trend towards the lowering of the alkalinity (Bicarbonates and carbonates) and increase of the Sulphate and chlorides. It can be that this is not without significance for the variations of the alkales and sulphates coefficients of the Black Sea.
It was also an interesting special feature to note the mineralization also within the yearly measurements. While in the preceding period the maximum was usually being to be observed in the winter (February) and the minimum in the summer (July), with a result of the level changes in the range of 2 to 4 months, in the period 1962- to be observed in 1965 the maximum in the autumn (October), and the minimum in the spring (May), in both cases a month according after the minimum and maximum of the level (in individual years there was even full agreement). As the changes of the quantitative relationships of the Ions, if also the fluctuations of the season movements show that in the water inlet of the river considerable deviations from mean situation occurred (depending on the Districts, quality and quantity of the waters).

The biogenic elements show also a trend towards an increase. For the period 1950-1954 is their sum's 4,20 mg/l, in the year 1954-1961 4,77 mg/l and in the year 1962-1965 she is 4,85 mg/l. The increase is in this case mainly combined with the nitrated nitrogen while the silicon is showing a reduction. Also for the phosphates and the ammonia nitrogen shows considerable increase of the amplitude (Cases of pollution). Also the lowering of the percentage of the oxygen and the increase of the oxygen and
KMn04-Oxyidization (Tab. 1) demonstrates the increase of pollution.

The inter-annual distribution of the amounts of the biogenic elements during the period 1962-1965 has the similar behaviour of the Minimum with the period 1954-1961, but the Maximum occurred in the winter, not during the two first summer months, when the need is very great for biogenic elements in the sea. Then the mean dates show amounts for the period, to be close to the minimum one. These changes are also surely in the connection with the deviations of the regimes of the water inlet of Danube.

The inter annual distribution of the turbidity on a monthly basis shows in the mean result for the period 1962-1965, as also is the case for our earlier studies with the minimum in October, however, the maximum amount are to be recorded was not at the end of the spring and in the summer but at the beginning of the spring. That agrees certainly with the meteorological special features of the period in the connection (milder winters with considerable rainfall and comparatively longer and cooler springs). In the case of the turbidity there are essential variations depending on their origin - more or less organic substances, carbonates, clay or quartz (soil erosion, river rates, pollution and so forth). In general the maximum percentage of the organic substances at the end of the summer and beginning of the spring, to be recorded in the case of comparatively quieter and lower waters and a slower current. Then the relationship decreases, as often does the absolute amount of the clay and quartz particles. The amount of the carbonates comes mainly from the rainfall and run off/erosion rinsing of the lower areas. During the increase of the participation of the higher mountains waters in the water flow (June) the inorganic part of the turbidity increases and in rare cases it can practically cancel out the carbonates and organic part (Tab. 3). On average the turbidity (suspended alluvial soils) contains 13% organic suspension, 83% inorganic rest and 40% CO2 of the carbonates:(Tab. 4).

In general one sees (Tab.5),that in the deeper of the flowing waters the domination finer quartz sand, with considerable percentage gravel/grit.
The percentage of loam (with division size 0,1-0,01 mm) is small and clay is missing
almost. On the banks with weaker currents, where Sand-
is deposited forming smaller islands, fine sand and loam dominate,
the amount of the carbonates increases, except for lime small pieces can one also sees small shell pieces; the coarser small pieces of mica (0,5-0,3 mm are also evident. The suspended deposits (Turbidity)of loam and clay are in great amounts have mainly the sizes(0,1 0,01 mm and < 0,01 mm).

In the chemical relationships one sees an increase of the carbonates, of iron, aluminium and organic suspension, as also the occurrence of visible amounts of phosphorus (mainly organic). The material in suspension flow of the river has special importance in the relationship of some biogenic elements and mostly to the phosphorus, that is dissolved in the flowing waters to find in comparatively small amounts (Tab. 6).

The dissolved phosphate can be consumed, however, by the sea organisms directly (Phytoplankton, algae, autotrophic bacteria). A longer time is needed for the organic phosphorus that occurs within the river detrital minerals for mineralization. The mean content of P inis 0,11% (at P,05 -0,25%). As opposed to the organic suspension of the turbidity at approximately 1,5%. If one takes into account that, one can compute the rough amount of the Phosphor's in the sea, deduced from the organic Danube materials in suspension, (Tab. 7).

A certain amount of phosphorus is imported also through the dissolved and finely suspended organic suspension, but it deviates considerably from the amounts of the phosphates and detritus phosphorus, since it changes into the phosphate form easily and recorded as such.
Interesting results show also the year variations of the Danube biogenic flows in comparison with the year variations of the amount of the biogenic elements in the upper regions of the Black Sea. However one must take into account not only the influx, but also the wearing out. And indeed the maximum of the biogenic does not always correspond to a higher productivity, as where appropriate also the Temperature factor is to be considered, as well as also the important character of the season distribution of the drainage flows (Tab. 8).

While establishing the balance of the biogenic elements in the sea one may start not only from the river drainage, but one must also onto the entry of the biogenic elements with the precipitation of rainfall(Water and dust), as well as pay attention also to the year stage of the vertical mixing of the sea sections.
A direct dependence in this connection between the Danube drain of the main biogenic elements (nitrate nitrogen, phosphated phosphorus and detrital phosphorus) and the nitrate and phosphate in the upper 25m section of the southwest parts of the Black Sea rarely observed. The yearly fishing catch shows a qualitative and direct dependence on the biogenic content in the sea in several cases (the dates for the fishing catch are from S. Stoianov and G. Ivanova). After all one can see, that the years with the greater influx of the Danube in the spring, summer and part of the autumn period are more favourable for the fishing catch.

Deutsch: Die gelösten und suspendierten Stoffe, von der Donau in's Schwarze Meer transportiert, haben sehr grüsse Bedeutung für seinen Chemismus und biologische Produktivität. Die gesamten Grundlagen des chemischen und Schwebstoffabflusses der Donau sind schon in unseren vorhergehenden Arbeitrzn, wie auch in den Arbeiten von A. M. Alinasov, dargelegt worden. Aber nur die jahrelangen ununterbrochenen, systematischen Beobachtungen haben erlaubt, den Gang der jährlichen Änderungen und den Einfluss auf das Meer zu vermerken. Das Beachten der aufeinanderfolgenden Perioden der Beobachtungen ergab die Möglichkeit, einige Tendenzen der Änderungen während dieser Perioden festzustellen. Insbesondere haben unsere Erforschungen in der Periode 1962/1965, die als Fortsetzung unserer Studien von den vorhergehenden Jahren zu bewerten sind, einige charakteristische Änderungen gezeigt.z. B. zeigt die gesamte Mineralisation (Summe der Hauptionen) eine Tendenz zur Steigerung. In der Periode 1950- 1954 ist sie 292 ing/l, im Jahre 1954-1961 -318 mg/1 und im Jahre 1962-1965 -321 nig/l, trotz der Steigerung des durchschnittlichen Niveaus der letzten Periode. Gleichzeitig kann man auch einige Änderungen im Verhältnis der Ionen ? Tendenz zur Senkung der Alkalität (Bikarbonate und Karbonate) und Zunahme der Sulphate und Chloriden beobachten. Es kann sein, dass dies nicht ohne Bedeutung für die Schwankungen des alkalen und sulphaten Koeffizienten des Mee res ist.
Interessante Besonderheiten gibt es auch im innenjährlichen Gang der Mineralisation. Während in der vorhergehenden Periode das Maximum gewöhnlich im Winter (Februar) zu beobachten war und das Minimum im Sommer (Juli), mit einer Folge der Niveauänderungen im Intervall von 2 bis 4 Monaten, konnte in der Periode 1962- 1965 das Maximum im Herbst (Oktober), und das Minimum im Frühling (Mai) beobachtet werden, in beiden Fällen ein Monat nach dem Minimum und Maximum des Niveaus (in einzelnen Jahren gab es sogar volle Übereinstimmung). Wie die Änderungen der quantitativen Verhältnisse der lonen, zeigen auch die Änderungen der Saisonbewegungen, dass im Wasserzufluss des Flusses ziemliche Abweichungen von cien Durchschnittslagen eingetreten sind (Bezirke, Qualität und Quantität der Gewässer).
Die Biogenelemente zeigen auch eine Tendenz zur Zunahme. Für die Periode 1950??1954 ist deren Summe 4,20 mor/l, im Jahre 1954-1961
4,77 rng/1 und im Jahre 1962??1965 ist sie 4,85 rng/l. Dabei ist die Zunahrne hauptsächlich mit dem nitraten Stickstoff verbunden, während das Silizium eine Minderung zeigt. Minderungzeigt auch der phosphatePhosphor und der Ammoniakstickstoff zeigt ziemliche Zunahme der Amplitude (Fälle von Verschmutzen). Für die Zunahme der Verschmutzungen spricht auch das Senken des 0/0 des Sauerstoffes und das Steigen der 0.?Zehrung und KMn0,-Oxydierbarkeit (Tab. 1).

Das innenjährliche Verteilen der Mengen der Biogenelemente während der Periode 1962-1965 hat im Verhältnis der Minimunie Ähnlichkeit mit der Periode 1954?1961, aber die Maximume treten im Winter auf, nicht während der beiden ersten Sommermonate, wenn das Bedürfnis an Biogenelementen im Meer sehr gross ist. Dann zeigen die Durchschnittsdaten für die Periode Mengen, die nahe dem minimalen stehen. Diese Änderungen stehen sicher im Zusammenhang auch mit den Abweichungen des Regirnes des Wasserzuflusses der Donau. Im Verhältnis der Jahresänderungen kann man sehen, dass während des wass?erreichen Jahres 1965 die Mengen der Biogenelernente verhältnistnässig wenig sind, aber am Ende des Frühlings und Anfang des Sommers gute Mengen aufweisen (Tab. 2).

Das betrifft hauptsächlich den nitraten Stickstoff und weniger den Ammoniakstickstoff und phosphaten Phosphor. Was das gelöste und kolloidale Eisen und Silizium betrifft, sind sie unter der Norme, aber sie werden dem Meere in ziemlichen Mengen mit den Schwebstoffen zugetrieben. Einigermassen tritt auch der Phosphor mit der Trübung (mit dem organischen Teil) ins Meer ein.

Das innenjährliche Verteilen der Trübung nach Monaten zeigt im Durchschnittsresultat für die Periode 1962-1965, wie auch bei unseren früheren Studien das Minimum im Oktober, aber die maximalen Merigen sind nicht am Ende des Frühlings und im Sommer (Niederschläge, Alpenzufluss), sondern am Anfang des Frühlings zu verzeichnen. Das steht sicherlich mit den meteorologischen Besonderheiten der Periode im Zusammenhang (weiche Winter mit ziemlichen Niederschlägen und verhältnistnässig kühle und lange Frühlinge). Im Bestand der Trübung gibt es wesentliche Schwankungen ?in Abhängigkeit von ihrer Herkunft ? mehr oder weniger organische Stoffe, Karbonate, Ton oder Quarz (durchspülen der Erde, Stromgeschwindigkeit, Verschmutzungen u. a.). Im allgemeinen ist der maximale Prozentsatz der organischen Stoffe am Ende des Sommers und Anfang des Frühlings, bei verhältnismässig stillen und niedrigeren Gewässern und langsamerer Strömung zu vermerken. Dann senkt sich die verhältnismässige, oft auch die absolute Menge der Ton? und Quarzsetzungen. Die Menge der Karbonate steht am meisten mit?(ten Niederschlägen und dem Durchspülen der niederen Teile im Zusammenhang. Bei der Verstärkung der Teilnahme der Hochgebirgsgewässer im Wasserzufluss (Juni) wächst der anorganische Teil der Trübung an und in seltenen Fällen kann es bis zum praktischen Annullieren des karbonaten und organischen Teils kommen (Tab. 3). Im Durchschnitt enthält die Trübung (suspendierte Anschwemmungen) 130/o organische Stoffe, 830/0 anorganischen Rest und 40/0 CO2 der Karbonate: das macht 90/0 CaC03und 780/o Ton, Quarz, Glimmer u. a. Die Schwankungen des CaC0, bewegen sich praktisch von Null bis 30% und diese der organischen Stoffe von seltenen Fällen des vollen Fehlens bis 38% (Tab. 4).

Im allgemeinen sieht man (Tab.5),dass ingrösserenTiefen des Fahrwaters
mittlerer und feiner Quarzsand dominieren, mit ziemlichen Prozentsatz an Kies.
Der Prozentsatz an Lehm (mit Teilengrösse 0,1-0,01 mm) ist klein und Ton fehlt
fast. Der Quarzsand besteht aus ca 980/0 Quarz, wenig Karbonaten - häuptsäch-
lich kleinen Kalkstücken. Am Ufer mit schwächerer Strömung, wo sich Sand-
landzungen und kleine Inseln ansammeln, dominieren feiner Sand und Lehm,
die Menge der Karbonate wächst, ausser Kalkstückchen kann man auch zer-
brochene Stücke Muschelschalen sehen; die gröberen Stückchen Glimmer
(0,5-0,3 mmj setzen sich auch ab. Die suspendierten Anschwernmungen
(Trübung) haben hauptsächlich Lehm und Ton in grossen Mengen (0,1 0,01 mm und< 0,01 mm).

Es fehlen aber auch nicht von der Strömung ernporgetriebene kleine Sandteile und Glimmerstückchen (besonders bei höheren Gewässern). Im chemischen Verhältnis sieht man eine Vermehrung der Karbonate, von Eisen, Aluminium und organischen Stoffen, wie auch das Vorkommen von sichtbaren Mengen Phosphor (hauptsächlich organischen). Wenn der Sand und die anderen gröberen Anschweinmungen nahe dem Grund mitgeschleppt werden und sich im Meer in Mündungsnähe absetzen, um darin von den Wellen und Meeresströmungen fortgetrieben zu werden, so werden die suspendierten Anschwemmungen (Trübung) und besonders der organische Teil ziemlich weit in's Meer ergossen. Der Schwebstoffabfluss des Flusses hat besondere Bedeutung im Verhältnis mancher Biogenelemente und am meisten zum Phosphor, der ? gelöst in den Fliessgewässern ? in verhältnismässig kleinen Mengen zu finden ist (Tab. 6).

Der gelöste phosphate Phosphor kann aber direkt von den Meeresorganismen konsumiert werden (Phytoplankton, Algen, autotrophe Bakterien). Für den organischen Phosphor, der mit dem Flussdetritus eintritt, wird längere Zeit für Mineralisation gebraucht. Der Durchschnittsgehalt von P in der Trüburig ist 0,110/o (bei P,05 -0,250%). Gegen den organischen Stoff der Trübung macht das ca 1,50/0 aus. Wenn man das in Betracht zieht, kann man die ungefähre Menge des Phosphor's ins Meer, von den organischen Donauschwebstoffen überführt, berechnen (Tab. 7).

Eine gewisse Menge Phosphor wird auch durch die gelösten und feinsuspendierten organischen Stoffe eingeschleppt, aber sie weicht zieirAich von den Mengen des phosphaten und detriten Phosphors ab, da sie leicht in phosphate Form übergeht und sich als solche registriert. Natürlich sind die organischen Stoffe auch gleichzeitig eine Quelle von Stickstoff, aber der Prozess der Mineralisation (besonders der Nitrate) ist langsamer. Interessante Resultate zeigen auch die Jahresschwankungen des Donaubiogenenabflusses im Vergleich zu den Jahresschwankungen der Menge der Biogenelemente in den oberen Schichten des Schwarzen Meeres. Man muss aber nicht nur den Zufluss, sondern auch das Zehren in Betracht ziehen. Und zwar entspricht nicht immer das Maximum der Biogenelernente einer höheren Produktivität ? gegebenenfalls ist auch der Ternperaturfaktor, sowie auch der Charakter der Saisonverteilung des Abflusses von Bedeutung (Tab. 8).

Bei dem Feststellen der Bilanz der Biogenelemente im Meer darf man nicht nur von dem Flussabfluss ausgehen, sondern man muss auch auf den Eintritt der Biogenelernente mit den Niederschlägen (Wasser und Staub), wie auch auf die Jahresstufe des vertikalen Verrnischens der Meeresschichten acht haben. In diesem Zusammenhang ist eine direkte Abhängigkeit zwischen dem Donauabfluss der Hauptbiogenelemente (nitratem Stickstoff, phosphatem Phosphor und detritem Phosphor)' und dem Nitrat? und Phosphatgehalt in der oberen 25?m Schichte des südwestlichen Teiles des Schwarzen Meeres selten zu beobachten. Der Jahresfischfang zeigt in mehreren Fällen qualitative direkte Abhängigkeit von dem Biogengehalt im Meer (die Daten für den Fischgang sind nach S. Stoianov und G. Ivanova). Immerhin kann man sehen, dass die Jahre mit grösseren Donauzufluss in der Frühlings?, Sommerund teilweise Herbstperiode günstiger für den FiscWang sind.