nutrient concentrations

Ciencias Marinas (2003), 29(4): 483495

483

Nutrient concentrations in coastal waters: Impact of the Guadiana River

Concentraciones de nutrientes en aguas costeras: Impacto del Ro Guadiana

A. Cravo1M. Madureira1

F. Rita1A.J. Silva2

M.J. Bebianno1*

1 UCTRA, University of AlgarveCentre of Marine and Environmental Research (CIMA)

Campus de Gambelas, 8000-810 Faro, Portugal*E-mail: [email protected]

2 Hydrographic Institute, Oceanographic DivisionRua das Trinas 49

1249-093 Lisboa, Portugal

Recibido en octubre de 2001; aceptado en noviembre de 2002

Abstract

Water samples were collected over an area of 900 km2 adjacent to the outflow of the Guadiana River in January 1999 tocharacterize the concentrations and spatial distribution of nutrients (ammonium, nitrite, nitrate, phosphate and silicate) in thewater column. The purpose of the study was to characterize a winter situation of low discharge in terms of nutrient concentrationsin the coastal area adjacent to the Guadiana outflow, before the reduction of the river flow due to the completion of the AlquevaDam. The results show that the maximum influence of the Guadiana outflow was close to the mouth of the Guadiana River,where the highest nutrient concentrations and the minimum of salinity were registered. At the surface, the nutrient concentrationsdecreased gradually as the distance from the coast increased. The influence of the Guadiana outflow at the surface, despite beingsmall, was evident in the area of about 90 km2 that extends westwards from the mouth of the river. In this area, the increase in Ncompounds was more significant than in P and Si. The vertical influence of the outflow of the Guadiana River, until over theisobath lower than 30 m, was reflected in nutrient concentrations that decreased with the increase in depth. However, when thedepth of the water column was greater than 30 m, the nutrient concentrations increased with the increase in depth. It is expectedthat with the completion of the Alqueva Dam, the outflow of the Guadiana River will be reduced even further. Nutrientconcentrations will also be reduced and the influence of the river in the coastal zone will be even smaller. This could have anegative impact on the nutrient biogeochemical cycles and on the overall productivity of the area.

Key words: nutrients, Guadiana River, coastal waters, Alqueva Dam.

Resumen

En un rea de 900 km2 alrededor de la desembocadura del Ro Guadiana se recolectaron muestras de agua para caracterizarlas concentraciones y distribucin espacial de nutrientes (amonio, nitritos, nitratos, fosfatos y silicatos) en la columna de agua. Elpropsito de este estudio fue caracterizar la condicin invernal de pocas descargas, en trminos de concentracin de nutrientes enel rea costera adyacente a la desembocadura del Guadiana, antes de que el flujo del ro se vea reducido por la conclusin de laPresa Alqueva. Los resultados indican que la mayor influencia de la descarga del Guadiana se observ cerca de la boca del ro,donde se registraron las mayores concentraciones de nutrientes y la salinidad ms baja. En superficie, las concentraciones denutrientes disminuyeron gradualmente con el aumento de la distancia a la costa. La influencia de la descarga del Guadiana ensuperficie, aunque pequea, fue evidente en el rea de ~90 km2 que se extiende de la boca del ro hacia el oeste. En esta rea elincremento de compuestos de N fue ms significativo que el de los de P y Si. La influencia vertical de la descarga del RoGuadiana, hasta por encima de la isbata < 30 m se reflej en las concentraciones de nutrientes que disminuyeron conformeaumentaba la profundidad. Sin embargo, cuando la profundidad de la columna de agua era > 30 m las concentraciones denutrientes aumentaron con la profundidad. Es de esperar que con la terminacin de la Presa Alqueva la descarga del ro se vea anms disminuida. Las concentraciones tambin se vern reducidas y la influencia del ro en la zona costera ser an menor. Estopodra tener un impacto negativo en los ciclos biogeoqumicos de nutrientes y en la productividad global del rea.

Palabras clave: nutrientes, Ro Guadiana, aguas costeras, Presa Alqueva.

Ciencias Marinas, Vol. 29, No. 4, 2003

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Introduction

The Guadiana River is the fourth most important river ofthe Iberian Peninsula. This river, in the southern borderbetween Portugal and Spain, is 810 km long, with a drainagearea of about 67,000 km2 of which 17% is Portuguese and 83%is Spanish. The Guadiana River has a very irregular flow, onboth seasonal and interannual time scales, associated with cli-matic conditions and regulation management. The mean annualvariability of the Guadiana River flow, at the hydrometricstation of Pulo do Lobo (3748 N, 738 W), ca 50 kmupstream from the mouth of the Guadiana River, for theperiod 19471989 (historical data from INAG, public accessdata) is shown in figure 1. During this period, the flow rangedannually from 33 106 m3 (1981) to 150 107 m3 (1963), andfrom negligible values in the dry season (September 1954) toabout 665 107 m3 monthly during flood conditions (January1970).

Dams restrict the freshwater flow regime and the associatedload of suspended particles, having repercussions on the waterquality of riverine, estuarine and adjacent coastal waters. Oneof the possible changes in the water quality is a decrease in thenutrient concentrations (Si, N and P) transported by landdrainage and river runoff to the coastal zone. The constructionof the Alqueva Dam (with a storage capacity of 4150 hm3 ofwater) may have a significant impact on the nutrient concentra-tions of the Guadiana River, its estuary and coastal zone.

Evidence of significant effects in open coastal waters dueto damming is sparse (Humborg et al., 1997). However, theextension of the impact of the river outflow on adjacent coastalwaters depends upon the variability of the river flow regimeand the distance to the mouth of the estuary. It is well docu-mented that areas receiving river discharges have nutrient andphytoplankton concentrations much higher than the adjacentopen seas (Cruzado and Velasquez, 1990). Nutrients are thebiolimiting elements that play a central role in controlling the

Introduccin

El Ro Guadiana es el cuarto ms importante de laPennsula Ibrica. Este ro, en la frontera sur entre Portugal yEspaa, tiene 810 km de largo con una cuenca de drenaje dealrededor de 67,000 km2, de los cuales 17% estn en Portugal y83% en Espaa. El Ro Guadiana tiene un flujo muy irregular,tanto en la escala de tiempo estacional como en la interanual,asociadas con las condiciones climticas y con el manejo delrgimen de la cuenca. La variabilidad anual media del flujo delRo Guadiana en la estacin hidromtrica de Pulo do Lobo(3748 N; 738 W), ca 50 km ro arriba de su desembocadura,durante el periodo 19471989 (datos histricos de INAG, datosde acceso pblico) se muestran en la figura 1. Durante esteperiodo el flujo vari anualmente de 33 106 m3 (1981) a 150 107 m3 (1963), y de valores insignificantes en la poca desecas (septiembre de 1954) hasta cerca de 665 107 m3mensuales en condiciones de inundacin (enero de 1970).

Las presas restringen el rgimen de flujo de agua dulce y elde la carga de partculas suspendidas asociada a ste, teniendogran repercusin en la calidad de las aguas del ro, el estuario yla zona costera adyacente. Uno de los cambios posibles en lacalidad del agua es la disminucin en las concentraciones denutrientes (Si, N y P) transportados por el drenaje desde tierray la descarga pluvial a la zona costera. La construccin de laPresa Alqueva (con una capacidad de almacenaje de ~t4150hm3 de agua) podra tener un impacto significativo en las con-centraciones de nutrientes del Ro Guadiana, de su estuario yde la zona costera vecina.

Existe una profusin de evidencias de los impactos signifi-cativos ocasionados por la construccin de presas (Humborg etal., 1997). No obstante, la extensin del impacto de la descargadel ro en las aguas adyacentes depende de la variabilidad delrgimen de flujo del mismo y de la distancia a la boca delestuario. Est bien documentado que las reas que recibendescargas fluviales presentan concentraciones mucho ms ele-vadas de nutrientes y fitoplancton que sus zonas adyacentes demar abierto (Cruzado y Velasquez, 1990). Los nutrientes sonelementos biolimitantes que juegan un papel central en elcontrol de la productividad primaria y en la productividad bio-lgica global de las zonas costeras (Libes, 1992). Una granreduccin de la descarga de agua dulce en estas reas puedecausar una disminucin en las concentraciones de nutrientes(Wetsteyn y Kromkamp, 1994).

En reas costeras influenciadas directamente por estuarios,el silicato es una de los nutrientes que podra mostrar un cam-bio marcado en su concentracin debido a la reduccin delflujo de agua dulce. Los ros transportan hacia las zonas coste-ras concentraciones de silicato uno o dos rdenes de magnitudmayores a las comunes en el agua de mar (Bien et al., 1958;Banoub y Burton, 1968; Liss y Spencer, 1970; Liss y Pointon,1973). Despus de la construccin de la presa en el RoDanubio se observ una reduccin del silicato en un 70%, conuna disminucin asociada del 60% de este nutriente en lasaguas superficiales del rea costera del Mar Negro central

Figure 1. Annual mean flow of the Guadiana River at Pulo do Lobo duringthe period 19471989 (source: INAG, public access data).Figura 1. Flujo medio anual del Guadiana en Pulo do Lobo durante elperiodo 19471989 (fuente: INAG, fatos de acceso pblico).

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Cravo et al.: Impact of nutrient concentrations transported by the Guadiana River

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(Humborg et al., 1997). Como resultado de ello se vieronalteradas las razones N:Si y Si:P, lo cual pudo haber sido lacausa de cambios dramticos en la composicin del fitoplanc-ton, cambiando de especies de diatomeas a especies no silceas(Justic et al., 1994; Humborg et al., 1997). As, las presaspodran hasta cierto punto afectar los ciclos biogeoqumicos delos nutrientes y la estructura de la cadena alimenticia en laszonas costeras.

Por lo tanto, a fin de evaluar alteraciones futuras en ladistribucin de las concentraciones de nutrientes en la zonacostera adyacente al Ro Guadiana, asociadas a la terminacinde la Presa Alqueva, es muy importante caracterizar su situa-cin actual en condiciones invernales y estivales. El objetivode este estudio fue, durante condiciones invernales de escasasdescargas fluviales: (1) definir el rea de influencia de losaportes del Ro Guadiana, (2) evaluar su interaccin con lasaguas ocenicas, y (3) estudiar la distribucin vertical de lasconcentraciones de nutrientes en el area de la plataformacontinental adyacente directamente influenciada por el RoGuadiana. Para ello, se tomaron muestras de agua de mar adiferentes profundidades en condiciones invernales, en un readonde era de esperarse la influencia del impacto del RoGuadiana.

Materiales y mtodos

En enero de 1999 se tomaron muestras de agua durante uncrucero oceanogrfico a bordo del B/O N.R.P. AlmeidaCarvalho. El rea de muestreo (fig. 2) fue cubierta por una redde 38 estaciones, enmarcada entre los meridianos de Vila RealSto Antnio (7.4 W) y Tavira (7.7 W), desde la lnea de costa(37.15 N) hasta la isbata de los 500 m (36.85 N). Lasestaciones de muestreo se espaciaron aproximadamente 2 kmla una de la otra.

Se tomaron muestras de agua de superficie y a diferentesprofundidades utilizando una roseta equipada con 12 botellas

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primary production and the overall biological productivity ofthe coastal zones (Libes, 1992). A huge reduction of the fresh-water discharge in these areas may cause a decrease in nutrientconcentrations (Wetsteyn and Kromkamp, 1994).

In coastal areas directly influenced by estuaries, silicate isone of the nutrients that could show a marked change in itsconcentration due to the reduction of freshwater flow. Riverstransport to the coastal zones concentrations of silicate one totwo orders of magnitude higher than those in seawater (Bien etal., 1958; Banoub and Burton, 1968; Liss and Spencer, 1970;Liss and Pointon, 1973). In the Danube River, after the damconstruction a reduction of 70% in silicate was observed, witha concomitant decrease of more than 60% of this nutrient in thecoastal area of central Black Sea surface waters (Humborg etal., 1997). As a result, N:Si and Si:P ratios were distorted,which could be responsible for dramatic shifts in thephytoplankton composition, with species changing fromdiatoms to non-siliceous species (Justic et al., 1994; Humborget al., 1997). Thus, dams, to some extent, could affect thebiogeochemical cycling of nutrients and the food web structurein coastal areas.

Therefore, in order to assess future alterations on the distri-bution of nutrient concentrations in the coastal area adjacent tothe Guadiana River, associated with the completion of theAlqueva Dam, it is very important to characterize the presentsituation in winter and summer conditions. So, the objective ofthe present study was, during winter conditions of low riverdischarge, to: (1) define the area influenced by the outflow ofthe Guadiana River, (2) evaluate its interaction with oceanicwaters, and (3) study the vertical distribution of the nutrientconcentrations in the adjacent continental shelf area directlyinfluenced by the Guadiana River. For this, seawater sampleswere collected at different depths in winter conditions, in anarea where the influence of the Guadiana River impact wasexpected.

Materials and methods

In January 1999, water samples were collected during anoceanographic cruise on board the R/V N.R.P. AlmeidaCarvalho. The sampling area (fig. 2) covered a grid of 38stations, framed by Vila Real Sto Antnio (7.4 W) and Tavira(7.7 W) meridian lines, from the coastline (37.15 N) until theisobath of 500 m (36.85 N). The sampling stations werespaced approximately 2 km from each other.

Water samples were collected at the surface and at differentdepths using a Rosette equipped with 12 Niskin water bottles.The depth at which samples were collected ranged from about10 m to approximately 500 m. At the stations where the watercolumn was lower than 100 m, water samples were collected atthe surface and bottom. At the stations where the water columnwas greater than 100 m, an intermediate level of the watercolumn was selected for sampling the water. This depth wasdefined by the nephelometric signal of a CTD profile andranged from 60 to 440 m.

Figure 2. Location of the sampling stations. Figura 2. Ubicacin de las estaciones de muestreo.


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Water samples were filtered through 0.45-m pre-weighedmembrane filters and frozen at 20C prior to the analysis ofnutrient concentrations. Ammonium (NH4+), nitrite (NO2),nitrate (NO3), phosphate (PO43) and silicate (SiO44) wereanalyzed according to the methods described by Grasshoff etal. (1983), using a Skalar autoanalyser. Ammonium, nitrateand silicate were determined over the range 0.215 M, nitriteover the range 0.022.5 M, and phosphate over the range0.042.5 M. The Marine Nutrient Standard Kit (OSI) wasused as reference material.

Contour mapping of the nutrient concentrations was madebased on the calculation of areal integrals by the kriginginterpolation method, using the Surfer computer programme.

Results and discussion

Surface and bottom spatial distribution of ammonium,nitrite, nitrate, phosphate and silicate concentrations arepresented in figures 3, 4, 5, 6 and 7, respectively. The range ofthe nutrient concentrations at surface, intermediate depth andbottom are summarized in table 1.

de agua Niskin. La profundidad a la que se tomaron lasmuestras de agua vari de alrededor de 10 m hasta cerca de 500m. En las estaciones en las que la columna de agua era menor a100 m. Se recolectaron muestras de superficie y de fondo. Enlas estaciones donde la profundidad era mayor a 100 m, seseleccion un punto intermedio en la columna de agua pararecoger la muestra. Esta profundidad fue definida por la sealnefelomtrica de un perfil CTD y vari de 60 a 440 m.

Las muestras de agua fueron filtradas a travs de filtros pre-viamente pesados de membrana de 0.45 mm y se congelaron a20C previo a su anlisis de concentracin de nutrientes. Seanalizaron amonio (NH4+), nitrito (NO2), nitrato (NO3),fosfato (PO43) y silicato (SiO44) de acuerdo a los mtodosdescritos por Grasshoff et al. (1983), usando un autoanalizadorSkalar. El amonio, el nitrato y el silicato se determinaron en unrango de 0.2 a 15 M, el nitrito en uno de 0.02 a 2.5 M, elfosfato en un rango de 0.04 a 2.5 M. Se utiliz como materialde referencia el Juego Estndar de Nutrientes Marinos (OSI).

Los mapas de contornos de concentraciones de nutrientesse elaboraron con base en la integracin de reas por el mtodo

Figure 4. Distribution of nitrite concentrations (M) at: (a) surface and (b)bottom.Figura 4. Distribucin de las concentraciones de nitrito (M) en: (a)superficie y (b) el fondo.

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Figure 3. Distribution of ammonium concentrations (M) at: (a) surface and(a) bottom.Figura 3. Distribucin de las concentraciones de amonio (M) en: (a)superficie y (b) el fondo.


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As can be seen from the surface data of ammonium, nitrite,nitrate, phosphate and silicate distribution (figs. 3a, 4a, 5a, 6a,7a, respectively), the influence of the Guadiana River outflowwas small. No plume of reduced salinity was observed in thecoastal area associated with the Guadiana outflow. The relativefreshwater contribution, calculated from the minimum salinityregistered (S = 35.62; Instituto Hidrogrfico, 1999a) in relationto the mean salinity of this coastal area (S = 36.30) was about2%, detected particularly at the surface close to the mouth ofthe river (station 12, fig. 2). While salinity was minimum, theconcentrations of silicate (3.45 M) and phosphate (0.45 M)were maximal along with the highest ammonium, nitrite andnitrate concentrations (NH4+ = 6.64 M, NO2 = 0.56 M andNO3 = 2.94 M). The flow recorded at the hydrologicalstation of Pulo do Lobo was small (17 m3 s1) for this time ofthe year when compared with the hydrological regime ofprevious years and with the overall mean value for theperiod 19471989 (340 and 156 m3 s1, respectively; table2). In fact, the mean flow for this time of the year wassimilar to those observed in summer months (table 2).However, even during winter, the flow of the Guadiana River

de interpolacin conocido como kriging, usando el programacomputacional Surfer.

Resultados y discusin

Las distribuciones espaciales, superficial y de fondo, deamonio, nitrito, nitrato, fosfato y silicato se presentan en lasfiguras 3, 4, 5, 6 y 7, respectivamente. Los intervalos devariacin de las concentraciones de nutrientes en superficie, aprofundidad intermedia y en el fondo se encuentran resumidosen la tabla 1.

Como se puede observar a partir de los datos superficialesde distribucin de amonio, nitrito, nitrato, fosfato y silicato(figs. 3a, 4a, 5a, 6a, 7a, respectivamente), la influencia de lasdescargas del Ro Guadiana es poca. No se observ ningunapluma de baja salinidad asociada a ella en el rea costera. Lacontribucin relativa de agua dulce, calculada a partir de lasalinidad mnima registrada (S = 35.62; Instituto Hidrogrfico,1999a) en relacin con la salinidad media de esta rea costera(S = 36.30) fue alrededor del 2%, detectada particularmente ensuperficie cerca de la boca del ro (estacin 12, fig. 2). Cuandola salinidad fue mnima, las concentraciones de silicato(3.45 M) y fosfato (0.45 M) fueron mximas, junto con lasconcentraciones ms elevadas de amonio, nitrito y nitrato(NH4+ = 6.64 M, NO2 = 0.56 M y NO3 = 2.94 M). Elflujo registrado en la estacin hidrolgica de Pulo do Lobo fuepoco (17 m3 s1) para esta poca del ao al compararlo con losregmenes hidrolgicos de aos previos y con la media globaldurante el periodo 19471989 (~340 y 156 m3 s1, respectiva-mente; tabla 2). De hecho, el flujo medio en esta poca del aofue similar a los observados en los meses de verano (tabla 2).Sin embargo, an en el invierno, el flujo del Guadiana es muyirregular y vari de 5 m3 s1 (enero de 1983) a 2483 m3 s1(enero de 1970).

Los rangos de las concentraciones de nutrientes en este tra-bajo fueron del mismo orden de magnitud que las encontradas

Figure 5. Distribution of nitrate concentrations (M) at: (a) surface and (b)bottom.Figura 5. Distribucin de las concentraciones de nitrato (M) en: (a)superficie y (b) el fondo.

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b Table 1. Range of nutrient concentrations (M), minimum (min) andmaximum (max), registered at the surface, intermediate nephelometricdepth and bottom level.Tabla 1. Rango de las concentraciones de nutrientes (M), mnimo (min)and mximo (max), regististrados en la superficie, en un nivel nefelomtricointermedio y en el fondo.

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NO3 n.d. 4.65 0.35 10.15 0.46 7.51

PO43 0.10 0.45 0.23 0.66 0.19 0.74

SiO44 0.25 3.45 0.50 4.26 0.79 5.73

n.d. = not detected


488

en la zona costera adyacente a la desembocadura del Guadianaen septiembre y octubre de 1998 (CEDEX, 1998), cuando elflujo fue de 18 a 32 m3 s1 (considerado bajo, tpico de lascondiciones de verano) y de 39 a 125 m3 s1 (tpico decondiciones invernales), respectivamente. Con una descargamayor (noviembre de 1998), con excepcin del amonio, todaslas dems concentraciones mximas de nutrientes fueron mselevadas que las obtenidas en este trabajo (tablas 1, 3).

Los rangos de las concentraciones de nutrientes no fueronsignificativamente diferentes al compararlos con otros obte-nidos en condiciones de flujo similares a lo largo del estuariodel Guadiana (tablas 1, 3), particularmente en su parte baja(~12 km ro arriba de la boca), entre octubre de 1996 y marzode 1998 (Chicharo et al., 2001; Rocha et al., 2002; tabla 3). Sinembargo, las diferencias son evidentes cuando se comparan losperiodos de mayor flujo, como en el caso de diciembre de 1997(tabla 3). Consecuentemente las concentraciones de nutrientesobtenidas en este estudio son tpicas de los meses de inviernocon bajo flujo de descarga fluvial.

Los datos anteriores brindaron una valiosa informacinpuntual de la magnitud de las concentraciones de nutrientes en

is very irregular, ranging from 5 m3 s1 (January 1983) to 2483m3 s1 (January 1970).

The ranges of nutrient concentrations obtained in thepresent work were of the same order of magnitude as thosefound in the coastal area adjacent to the Guadiana outflow inSeptember and October 1998 (CEDEX, 1998), when the flowwas 1832 m3 s1 (considered small, typical of summerconditions) and 39125 m3 s1 (typical of winter conditions),respectively. With a higher outflow (November 1998), exceptfor ammonium, all the other maximal nutrient concentrationswere higher than the ones obtained in this work (tables 1, 3).

The ranges of nutrient concentrations were not significantlydifferent when compared with others obtained in similar flowconditions along the Guadiana estuary (tables 1, 3), particu-larly in its lower part (12 km upstream from the mouth),between October 1996 and March 1998 (Chicharo et al., 2001;Rocha et al., 2002; table 3). However, the differences are evi-dent when periods of high flow were compared, as was thecase of December 1997 (table 3). Consequently, the nutrientconcentrations in this study are typical of the winter months oflow river flow discharge.

1

23

4

5

6

7

89

1011

12131415

1617 1819

20

2122

23

24

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28

29

3031

3233

3435

36

37

38

-8.0 -7.9 -7.8 -7.7 -7.6 -7.5 -7.4 -7.3 -7.236.8

36.9

37.0

37.1

37.2

37.3

Faro

10

20

30

50

100

150200

300400

500

Silicate [M]Surface level

a

1

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78

910

11

121314

151617 18

1920

21

22

23

2425

26

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29

30

3132

33

343536

37

38

-8.0 -7.9 -7.8 -7.7 -7.6 -7.5 -7.4 -7.3 -7.236.8

36.9

37.0

37.1

37.2

37.3

Faro

10

20

30

50

100

150200

300400

500

Silicate [M]Bottom level

b

-8.0 -7.9 -7.8 -7.7 -7.6 -7.5 -7.4 -7.3 -7.236.8

36.9

37.0

37.1

37.2

37.3

Faro

10

20

30

50

100

150200

300400

500

Phosphate [M]Surface level

a

-8.0 -7.9 -7.8 -7.7 -7.6 -7.5 -7.4 -7.3 -7.236.8

36.9

37.0

37.1

37.2

37.3

Faro

10

20

30

50

100

150200

300

400

500

Phosphate [M]Bottom level

b

Figure 6. Distribution of phosphate concentrations (M) at: (a) surface and(b) bottom.Figura 6. Distribucin de las concentraciones de fosfato (M) en: (a)superficie y (b) el fondo.

Figure 7. Distribution of silicate concentrations (M) at: (a) surface and (b)bottom.Figura 7. Distribucin de las concentraciones de silicato (M) en: (a)superficie y (b) el fondo.


489

The preceding data provided valuable snapshot informa-tion on the magnitude of the nutrient concentrations in thewaters adjacent to the Guadiana outflow that could not berepresentative of the typical winter situation, when flows areexpected to be generally higher (table 2). However, as typicallyfound in coastal areas affected by estuarine discharge, ageneral enrichment in nutrient concentrations was evident atthe stations closest to the estuary, those over the 10-m isobath,when compared with other data collected along the southPortuguese coast from areas not directly influenced by fresh-water inputs (table 3).

The influence of the Guadiana outflow at the surface,despite being small, was evident in the area of about 90 km2that extends westwards from the mouth of the river. This areais 15 km long (stations 9 to 19) and 6 km wide. This drift wasalso observed in the distribution of the surface suspendedsolids collected at the same time (Instituto Hidrogrfico,1999b). A similar drift to the west was recorded, 20 years ago,at the mouth of the estuary, when a turbid water mass wasobserved during measurements of physical parameters in theGuadiana estuary and adjacent coastal area (Michel, 1980).Moreover, Almeida (1999), using satellite imagery, observed asurface countercurrent directed to the west parallel to theAlgarve coast throughout the year. In this particular area of90 km2, surface nutrient concentrations were higher than thosebetween the isobaths of 30 to 100 m (figs. 3a, 4a, 5a, 6a, 7a).A comparison of the mean surface nutrient concentrations andthe N:P and N:Si ratios in these areas is presented in table 4. Athree-fold increase in N compounds (mainly ammonium) wasobserved in the area of influence of the Guadiana River out-flow, whereas the increase in silicate was low (25%, table 4).During this study, the presence of this surface countercurrentwas the major factor affecting the surface nutrient distributiondue to the small outflow influence. However, as the Guadianaestuary is very influenced by tide (tidal influence is felt until50 km upstream from the mouth), those processes associatedwith tidal fluxes, tidal conditions and regimes must also betaken into account when studies on the distribution of nutrientconcentrations are performed around the Guadiana mouth.

las aguas adyacentes a la desembocadura del Guadiana quepudieran no ser representativos de las condiciones invernalestpicas, cuando se espera que los flujos sean en general mayo-res (tabla 2). Sin embargo, como tpicamente ocurre en zonascosteras afectadas por una descarga estuarina, al comparar lasconcentraciones de nutrientes con otros datos obtenidos a lolargo de la costa sur de Portugal de reas no influenciadas poraportes de agua dulce fue evidente un enriquecimiento en lasestaciones mas cercanas al estuario, en aquellas que estabanpor encima de la isbata de 10 m (tabla 3).

La influencia de la descarga del Guadiana en superficie,aunque pequea, fue evidente en el rea de 90 km2 que seextiende de la boca del ro hacia el oeste. Esta rea tiene 15 kmde largo (estaciones 9 a 19) y 6 km de ancho. Esta derivatambin se observ en la distribucin de los slidos suspendi-dos en superficie recolectados al mismo tiempo (InstitutoHidrogrfico, 1999b). Hace 20 aos ya se haba tambin regis-trado una deriva similar hacia el oeste en la boca del estuario,cuando se observ una masa de agua turbia durante la medi-cin de parmetros fsicos en el estuario del Guadiana y su reacostera adyacente (Michel, 1980). Adems, Almeida (1999),usando imgenes de satlite, observ una contracorriente desuperficie dirigida hacia el oeste paralela a la costa del Algarvea lo largo de todo el ao. En esta rea particular de 90 km2, lasconcentraciones superficiales de nutrientes fueron mayores quelas encontradas entre las isbatas de los 30 y 100 m (figs. 3a,4a, 5a, 6a, 7a). En la tabla 4 se presenta una comparacin entrelas concentraciones medias superficiales y las razones N:P yN:Si de estas reas. Se observ que los compuestos nitrogena-dos (principalmente el amonio) se triplicaron en el rea deinfluencia de la desembocadura del Guadiana, mientras que elsilicato era escaso (~25%, tabla 4) Durante este estudio, lapresencia de esta contracorriente de superficie fue el factorprincipal que afect la distribucin superficial de nutrientesdebido a la limitada influencia de la descarga. No obstante,como el estuario del Guadiana se encuentra influenciado por lamarea (cuya influencia se deja sentir hasta ~50 km ro arriba dela boca), cuando se realizan estudios de distribucin de la

Table 2. Guadiana River flow (m3 s1) at Pulo do Lobo (ca 50 km upstream from the mouth) during three consecutive hydrological years: 1997/1998, 1998/1999and 1999/2000. Overall mean for the period 19471989 and mean for January months during this period.Tabla 2. Flujo del Ro Guadiana (m3 s1) en Pulo do Lobo (ca 50 km ro arriba de la boca) durante tres aos hidrolgicos consecutivos: 1997/1998, 1998/1999y 199/2000. Promedio global para el periodo 19471989 y promedio de los meses de enero del mismo periodo.

Year Oct Nov Dec Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Mean

97/98 26 642 851 540 1105 93 25 63 19 15 21 39 29798/99 40 44 34 17 11 14 9 14 5 5 10 13 1999/00 88 32 16 16 17 9 69 128 8 9 10 14 35Overall mean flow for 19471989 156

Mean for January months (19471989) 342


490

During this study, in the area of the Guadiana outflowinfluence, the N:P and N:Si ratios calculated were 17 and 3,respectively (table 4). These ratios support the assumption thatthe N compounds were in excess and showed that P and Siwere the limiting elements. Surface nutrient concentrationsdecreased with the increase in distance from the coast. Thiswas observed at stations with a water column depth greaterthan 30 m where salinity increased, reaching values of 36.4.This is due to the two component mixing system, mixture offreshwater with seawater (Coste et al., 1987; Cruzado andVelasquez, 1990; Lefevre et al., 1997). The N:P and N:Siratios at the surface decreased from 17 to 7 and from 3 to 1,respectively (table 4), over the isobaths between 30 and 100 m,indicating that in the water mass between those isobaths, Nwas the limiting element. This is usual in typical marinewaters. However, surface nutrient concentrations weregenerally lower than in the areas over the isobath greater than100 m. This can indicate that the primary production in thatarea was more important than in more remote stations.However, the effect of the alteration of the nutrient ratios uponthe phytoplankton assemblages was not studied.

One of the major input of nutrients in coastal areas are riverdischarges (Valiela et al., 1991; Rabalais, 1996); however, theextension of river discharges depends on the volume of waterthat reaches the coastal zone (variability of the river dischargeregime) and on its spread in the coastal zone. Areas that aremarkedly influenced by river discharges show evident nutrientgradients along with changes in salinity. Nutrient concentra-tions in these areas are much higher than in the adjacent openseas and decrease as salinity increases, tending to behaveconservatively in rapidly flushed estuaries (Balls, 1994). Thisis particularly evident during winter, when little or no loss ofnutrients through phytoplankton consumption was expected,due to their minimal activity (Cruzado and Velasquez, 1990).The conservative mixing of nutrients is a function of theestuarine flushing time that controls the extent to whichinternal processes (biological and abiotic) can modify nutrientinputs. Significant negative relationships are usually foundbetween nutrient concentrations and salinity in a wide range ofsalinity, in which nutrient concentrations are higher at lowersalinity. In these cases, the nutrient used as the best freshwatertracer is silicate (Hunt and Foster, 1977, 1985). The relation-ship between surface nutrient concentrations and salinity ispresented in figure 8. Significant relationships exist betweennutrient concentrations and salinity although the correlationcoefficients between variables were relatively low (P < 0.01)(fig. 8). This was attributed partly to the small amplitude ofsalinity associated with the reduced influence of the Guadianaoutflow. However, in this study silicate was not the best tracerto identify the presence of freshwater input. The nutrientthat showed the highest conservative behaviour was phosphate(r = 0.71; fig. 8b). Some departure from the theoreticaldilution line was observed for those points that were off theregression line, which corresponded to samples in the areadirectly influenced by the freshwater discharge (stations 12,

concentracin de nutrientes en las inmediaciones de la boca delGuadiana, tambin deben de considerarse los procesos asocia-dos con los flujos de marea y sus condiciones y regmenes.

Durante este estudio, en el rea de influencia de la descargadel Guadiana las razones N:P y N:Si calculadas fueron 17 y 3,respectivamente (tabla 4). Estas razones apoyan la hiptesis deque existe un exceso de compuestos nitrogenados y mostraronque los elementos limitantes eran P y Si. Las concentracionesde nutrientes en superficie disminuyeron con el incremento dela distancia a la costa. Esto se observ en las estaciones conuna profundidad de columna de agua mayor a los 30 m dondela salinidad se increment hasta alcanzar valores de 36.4. Estose debe al sistema de mezcla de dos componentes en el que semezclan agua dulce y agua de mar (Coste et al., 1987; Cruzadoy Velsquez, 1990; Lefevre et al., 1997). Las razones N:P yN:Si en superficie disminuyeron de 17 a 7 y de 3 a 1, respecti-vamente (tabla 4), entre las isbatas de 30 y 100 m, indicandoque en la masa de agua entre estas isbatas, el N es el elementolimitante, lo que es usual en el agua de mar tpica. Sinembargo, las concentraciones superficiales de nutrientes fuerongeneralmente menores que en las reas por debajo de la isbatade los 100 m. Esto puede indicar que la productividad primariaen esta rea fue ms importante que en las estaciones remotas.Sin embargo, no se estudi el efecto de la alteracin de lasrazones de los nutrientes sobre los grupos de fitoplancton.

Uno de los mayores aportes de nutrientes en las zonascosteras provienen de las descargas de los ros (Valiela et al.,1991; Rabalais, 1996); sin embargo, la extensin de ladescarga de los ros depende del volumen de agua que llega ala zona costera (variabilidad en el rgimen de descargas delro) y de su difusin en la zona costera. Aquellas zonas queestn notablemente influenciadas por las descargas de los rosmuestran evidentes gradientes en su concentracin de nutrien-tes aparejados con cambios en su salinidad. Las concentracio-nes de nutrientes en estas reas son mucho mayores que en lasreas ocenicas adyacentes, y disminuyen conforme seincrementa la salinidad, tendiendo a un comportamiento con-servativo en los estuarios que renuevan rpidamente sus aguas(Balls, 1994.) Esto es particularmente evidente en el inviernocuando se esperaran prdidas mnimas o nulas de nutrientesdebidas al consumo del fitoplancton dada la mnima actividadde ste (Cruzado y Velasquez, 1990). La mezcla conservativade nutrientes est en funcin de su tiempo de recambio de agua(flushing time) el cual controla la medida en que los procesosinternos (biolgicos y abiticos) pueden modificar los nutrien-tes a ellos aportados. Usualmente existen relaciones negativassignificativas entre concentraciones de nutrientes y salinidaden un amplio intervalo de salinidades en el que a menor salini-dad la concentracin de nutrientes es mayor. En estos casos elnutriente utilizado como el mejor trazador del agua dulce es elsilicato (Hunt y Foster, 1977, 1985). La relacin entre lasconcentraciones superficiales de nutrientes y la salinidad sepresenta en la figura 8. Existen relaciones significativas entrelas concentraciones de nutrientes en superficie y la salinidadaunque los coeficientes de correlacin entre las variables


491

13, 14, 15, 19; fig. 2). That possibly resulted from theinherent chemical behaviour of the mixing waters in combina-tion with an in situ non-conservative biological (phytoplanktonconsumption) behaviour. These relationships are alsoconditioned by the minimum salinity value (S = 35.6) andconsequently they must be interpreted with caution. In fact, ifthis value is not taken into account, both silicate andammonium concentrations did not present a conservativebehaviour (fig. 8), whereas for the phosphate, nitrite and nitrateconcentrations, the correlation coefficients increase withsalinity (r = 0.81, r = 0.66 and r = 0.57, respectively).Nevertheless, for more reliable information about the mixtureof fresh and marine waters in this area in order to determine thedilution effect upon coastal waters, a wider range of salinitymust be covered.

The vertical distribution of nutrient concentrations in thewater column with a depth lower than 30 m, showed thatconcentrations were higher at the surface than at the bottom(figs. 3, 4, 5, 6, 7). This supports the influence of the Guadianaoutflow mentioned above. When the water column has a depthgreater than 30 m, the nutrient concentrations showed agradual increase with depth, mainly due to the uptake of

Table 4. Mean surface nutrient concentrations and N:P and N:Si ratio.Tabla 4. Concentraciones medias de nutrientes en superficie y proporcionesN:P y N:Si.

Nutrient Area Mean (M) Ratio

N* 90 km230100 m isobaths

5.861.66

NH4+ 90 km230100 m isobaths

3.310.83

P 90 km230100 m isobaths

0.340.23

Si 90 km230100 m isobaths

2.181.78

N:P 90 km230100 m isobaths

177

N:Si 90 km230100 m isobaths

31

N* = NH4+ + NO2 + NO3

Table 3. Nutrient concentrations (M): silicate (SiO44), phosphate (PO43), ammonium (NH4+), nitrite (NO2), nitrate (NO3), dissolved inorganic nitrogen (DIN)and chlorophyll a (Chl a in g L1) determined in the coastal area adjacent to the Guadiana estuary, at the lower estuary and at other Algarvian coastal stationsnot directly influenced by freshwater inputs.Tabla 3. Concentraciones de nutrientes (M): silicato (SiO44), fosfato (PO43), amonio (NH4+), nitrito (NO2), nitrato (NO3), nitgeno orgnico disuelto (DIN,por sus siglas en ingls) y clorofila a (Chl a en g L1) determinados en la zona costera adyacente al estuario del Guadiana, en la parte baja del estuario y enotras estacionas costeras del Algarve no indluenciadas directamente por aportes de agua dulce.

Area sampled Period Guadianaflow (m3 s1) SiO44 PO43 NH4+ NO2 NO3 DIN Chl a Reference

10-m isobath Jan 99 17 2.66 0.39 6.06 0.64 3.12 9.82 This workCoastal area near the Guadiana

Sep 98Oct 98

1832 39125

1.83.23.23.9

0.060.10.290.74

ndnd

nd0.290.291.36

nd1.410

nd3.0 CEDEX (1998)

Guadianalow estuary

Oct 96Mar 98

161255 2.2 0.9 22.0 18.6 4.8 Chicharo et al.(2001)

Apr 97May 97Jun 97Jul 97Sep 97Dec 97Mar 98

171421

823

85193

6.90.50.51.4

5.771241.4

0.522.70.10.11.01.90.1

35.026.41.22.55.9

62.4110

6.00.92.29.38.21.9

15.7

Rocha et al.(2002)

Nov 98Dec 99

4416

553.2

1.44.3

5.0 0.30.4

5.3 4.91.8

Chicharo(not published)

Farol inlet Jun 94 0.64 0.38 1.01 Baptista (1997)JanDec 92 0.8 0.3 0.3 Falco (1997)AprDec 81 1.4 0.2 < 1 Benoliel (1989)Jul 78, Jun 79 0.1 0.6 Benoliel (1982)

Albufeira Jun 94 1.00 0.58 0.59 Baptista (1997)Sagres Jun 94 1.55 0.68 0.36 Baptista (1997)

DIN = NH4+ + NO2 + NO3; nd = not detected


492

0

1

2

3

4

35.4 35.6 35.8 36 36.2 36.4 36.6Salinity (S)

Silic

ate

(M

)

SiO44- = -2.66 x S + 98.48r = - 0.52, p


493

North Atlantic Central Water (NACW). The presence of MWin this region was previously identified (mbar, 1983; Zenkand Armi, 1990; Rhein and Hinrichsen, 1993; Almeida, 1999).mbar (1983) detected a shallow core of MW off the southernpart of the Iberian Peninsula along the continental shelf breakand slope at around 400 m. This water, that leaves the Strait ofGibraltar, coming from the Alboran Sea, is generally rich innutrients (Minas et al., 1983, 1987, 1988, 1991; Packard et al.,1988). At the intermediate level of the water column (over theisobaths greater than 100 m), some ammonium and nitrateconcentrations were higher than at the bottom (table 1). Theseconcentrations were observed at around 300 m, in the upperslope of the continental shelf edge where a turbid plume wasobserved, associated with a positive thermohaline anomaly.Temperature and salinity characteristics were different fromthose typical of the NACW and identified as a subsurface fila-ment of MW. This water mass can also be a source of nutrientswhen those are depleted at the surface.

In this particular winter study, the area of influence of theriver outflow was reduced due to the small river dischargeassociated with dry winter conditions. It is expected that duringsummer, the Guadiana outflow will be even smaller. Therefore,the completion of the Alqueva Dam will have some effectsupon the water quality, namely the alteration of the surfacenutrient concentrations. Other chemical characteristics of thecoastal waters could also change and, in the future, the area ofinfluence of the river will be even smaller than the 90 km2.This could have an important impact in nutrient biogeochemi-cal cycles and affect the food web structure and the overallproductivity of the ecosystem. It will be expected that insummer, if a further restriction of the flow (and nutrients)occurs, the structure of the phytoplankton communities couldsuffer significant alterations. The dominant phytoplanktonspecies in the study area were dinoflagellates, euglenas andmarine diatoms in the marine zone, while in the upper estuary,species were typical of freshwater (CEDEX, 1998). Inside theestuary (between October 1996 and March 1998), the higherphytoplankton density was dominated by chlorophytes andcyanobacteria in the upper estuary during summer. In themiddle estuary, the dominant species were nanoflagellates,whereas in the lower estuary, they were diatoms, nanoflagel-lates and marine dinoflagellates (Gouveia et al., 1999;Chicharo et al., 2001; Rocha et al., 2002). To what extent theconclusion of the Alqueva Dam will affect the phytoplanktoncommunity structure and the overall primary productivityinside the Guadiana estuary and in the adjacent coastal areamust be assessed in future studies.

Acknowledgements

This study was carried out under project SIRIA funded by ajoint venture between the Ministry of Defence and the Founda-tion of the Universities of Portugal in the framework of theEnvironment and Defence Programme.

consideracin, ni la concentracin de silicato ni la de amoniopresentan una comportamiento conservativo (fig. 8), mientrasque los coeficientes de correlacin de las concentraciones defosfato, nitrito y nitrato con la salinidad aumentan (r = 0.81,r = 0.66 y r = 0.57, respectivamente). Sin embargo, paraobtener informacin ms confiable acerca de la mezcla de aguadulce y agua de mar en esta rea que permita determinar elefecto de dilucin sobre las aguas costeras, se debe cubrir unrango mayor de salinidad.

La distribucin vertical de las concentraciones de nutrien-tes en la columna de agua a profundidades menores de 30 mmostr que las concentraciones eran mayores en la superficieque en el fondo (figs. 3, 4, 5, 6, 7). Esto confirma la influenciaantes mencionada de las descargas del Guadiana. Cuando lacolumna de agua tuvo una profundidad mayor a 30 m, las con-centraciones de nutrientes mostraron un incremento gradualcon la profundidad, debido principalmente a la asimilacin denutrientes por el fitoplancton en superficie y a la remineraliza-cin (Saad y Hassan, 1994; Vukadin y Stojanoski, 1996;Padmavathi y Satyanarayana, 1999).

Con la terminacin de la presa es de esperarse un empobre-cimiento en las concentraciones superficiales de nutrientes delas aguas costeras (debido a la disminucin de la descarga delro). Una de las maneras en que se pueden restablecer estasconcentraciones de nutrientes es con la mezcla con aguasms profundas, usualmente ms ricas en nutrientes, o duranteeventos de surgencia. En efecto, en las capas del fondo(a profundidades entre 400 y 500 m), las concentraciones denutrientes fueron generalmente mayores (figs. 3b, 4b, 5b, 6b,7b), particularmente el nitrito (1.06 M), el fosfato (0.74 M)y el silicato (5.73 mM) (tabla 1). A estas profundidades seobservaron incrementos en la salinidad (mximo S = 36.55) yen la temperatura. Estas elevadas concentraciones de nutrientesno se pueden asociar con el impacto de las descargas delGuadiana pero probablemente s con la presencia de AguaMediterrnea (MW), o con una mezcla de MW con AguaCentral del Atlntico Norte (NACW). La presencia de MW enesta regin ha sido identificada previamente (mbar, 1983;Zenk y Armi, 1990; Rhein y Hinrichsen, 1993; Almeida,1999). mbar (1983) detect un ncleo somero de MW frenteal sur de la Pennsula Ibrica a lo largo del margen y el taludcontinentales alrededor de los 400 m. Estas aguas, que sealejan del Estrecho de Gibraltar, al venir del Mar deAlborn son generalmente ricas en nutrientes (Minas et al.,1983, 1987, 1988, 1991; Packard et al., 1988). A la mitad de lacolumna de agua (sobre las isbatas mayores a 100 m), algunasconcentraciones de amonio y de nitrato fueron mayores que enel fondo (tabla 1). Estas concentraciones se observaronalrededor de 300 m, en la pendiente superior del margen de laplataforma continental donde se observ una pluma turbia aso-ciada con una anomala termohalina positiva. La temperatura yla salinidad caractersticas fueron diferentes de las tpicas deNACW y se identificaron como un filamento subsuperficial deMW. Esta masa de agua puede tambin constituir una fuentede nutrientes cuando stos se han agotado en la superficie.


494

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En este estudio invernal en particular, el rea de influenciade la desembocadura del ro se redujo debido a la descargapequea asociada con las condiciones secas del invierno. Seespera que durante el verano las descargas del Guadiana seanmenores an. Por lo tanto, la conclusin de la Presa Alquevatendr algunos efectos sobre la calidad del agua, esto es, quelas concentraciones superficiales de nutrientes se vern altera-das. Otras caractersticas qumicas de las aguas costeraspodran tambin cambiar y la futura rea de influencia del roincluso reducirse a menos de 90 km2. Esto podra tener unimpacto importante en los ciclos biogeoqumicos de losnutrientes y afectar la estructura de la cadena alimenticia y laproductividad global del ecosistema. Se espera que, durante elverano, si se restringe an ms el flujo (y los nutrientes), laestructura de las comunidades de fitoplancton podra sufriralteraciones significativas. Las especies de fitoplanctondominantes en el rea de estudio, en la parte marina sondinoflagelados, euglenas y diatomeas marinas, mientras que lasespecies de la parte superior del estuario son tpicamente deagua dulce (CEDEX, 1998). Dentro del estuario (entre octubrede 1996 y marzo de 1998), en su parte superior la mayordensidad de fitoplancton estuvo dominada por clorofitas ycianobacterias durante el verano. En su parte media, las espe-cies dominantes fueron nanoflagelados mientras que en la partebaja del estuario dominaron diatomeas, nanoflagelados, ydinoflagelados marinos (Gouveia et al., 1999; Chicharo et al.,2001; Rocha et al., 2002). En futuros estudios se deber estu-diar la magnitud del impacto de la terminacin de la PresaAlqeva sobre la estructura de la comunidad de fitoplancton ysobre la productividad primaria global en el estuario delGuadiana y en su area costera adyacente.

Agradecimientos

Este estudio se realiz como parte del proyecto SIRIA,financiado conjuntamente entre el Ministerio de Defensa y laFundacin de las Universidades de Portugal, en el marco delPrograma Medio Ambiente y Defensa.

Traducido al espaol por Manuel Gardea-Ojeda.

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