Spatio-temporal perspectives on aquatic carbon dynamics and limnoecological change in climate-sensitive lakes

Abstract

Northern lakes are displaying widespread ecological reorganizations in response to global change. These sensitive freshwater ecosystems are an integral component of subarctic and arctic landscapes and play a critical role in regional and global biogeochemical cycles. To understand lake ecosystem responses to direct and indirect climate forcing, and to estimate future trajectories of environmental change, we must look for past analogies of climate-lake interaction recorded in lake sedimentary archives. The present, in turn, holds the key to understand the past. This work examines patters and drivers of limnoecological change in shallow subarctic lakes across the treeline ecotone in northern Finland. A diverse set of neolimnological and paleolimnological tools and approaches were employed to explore aquatic ecosystem responses to landscape variability and direct climate forcing through space and time. Particular emphasis was placed on aquatic organic carbon that regulates vital biogeochemical processes in lakes and couples them to the global carbon cycle. To address landscape-mediated climate impact on shallow subarctic lakes, catchment controls on pelagic (lake water) and benthic (sediment) carbon pools, nutrients and productivity, periphytic algal (diatom) communities, and carbon utilization of benthic macrofauna (Cladocera) were assessed in 31 lakes spanning the treeline. To investigate long-term ecosystem development and carbon dynamics under natural and anthropogenic climate variability, two downcore sediment sequences from shallow and oligotrophic treeline lakes, covering the postglacial period (~11 500 years) and the late neoglacial (~600 years), were examined for diverse biogeochemical and paleobiological indices. Across the treeline, lake water carbon pools were fundamentally shaped by wetland influence. The adverse effect of terrestrial colored organic carbon on underwater light availability was diminished in the shallow waters and superseded by nutrient stimulation of primary production. Catchment and soil geomorphology and related hydrological processes were further identified as important controls over aquatic carbon pools, nutrient regimes, and lake water acid-base balance, carrying effects on aquatic primary production and diatom community structure. The late neoglacial paleolimnological record demonstrated a strong coupling between centennial temperature fluctuations, the structure and productivity of aquatic communities, and carbon sequestration. The changes were attributed primarily to alterations in the length of the ice cover period, and were most distinct over the Anthropocene. The postglacial sediment sequence demonstrated repeated diatom turnovers over the Holocene, attributed primarily to millennial moisture fluctuations driving changes in the depth and turbulence of the water column. Overall, the results strengthen recent notions related to the strong terrestrial-aquatic coupling as well as to the susceptibility of northern lakes to climate change, providing new aspects into the underlying processes, drivers of heterogeneity, and biotic interactions. Collectively, the findings build towards an improved understanding of the responses and resilience of northern lake ecosystems to a hierarchy of environmental drivers under the ongoing global change.Ilmastonmuutos vaikuttaa voimakkaasti pohjoisten järvien ekologiseen tilaan. Nämä herkät vesiekosysteemit ovat erottamaton osa arktista ja subarktista luontoa ja merkittävä osatekijä globaalissa biogeokemiallisessa kierrossa. Nykyinen ymmärryksemme ilmaston moninaisista vaikutusmekanismeista sekä järvien vasteista niihin on riittämätön. Uhkina ovat ainutlaatuisten pohjoisten järviekosysteemien katoaminen ilmaston lämpenemisen seurauksena sekä hiilen kiertoon liittyvät ilmaston takaisinkytkennät. Tutkimalla ilmaston ja järvien välisiä kytköksiä järvien pohjasedimentteihin tallentuneiden aikasarjojen sekä alueellisten vertailujen pohjalta, voidaan paremmin ymmärtää nykyisten muutosten luonnetta, suuntaa ja nopeutta. Tässä työssä pyrittiin selvittämään ilmastovaikutuksia matalien subarktisten järvien tilaan hyödyntäen sekä alueellisia että pitkän ajan vertailuaineistoja. Erityishuomion kohteena oli valuma-alueelta peräisin oleva eloperäinen hiili, joka kontrolloi tärkeitä biogeokemiallisia prosesseja järvissä sekä sitoo ne vahvasti globaaliin hiilen kiertoon. Ilmaston epäsuoria, valuma-alueen muutokseen liittyviä vaikutuksia havainnoitiin tutkimalla vaihtelua Lapin puurajan järvien limnologiassa sekä pohjasedimenttien biologisissa ja geokemiallisissa ominaisuuksissa suhteessa valuma-alueen piirteisiin. Muuttuvan ilmaston viimeaikaisia (∽600 vuotta) sekä pitkän aikavälin (∽11 500 vuotta) vaikutuksia järvien ekologiaan ja hiilen kiertoon tutkittiin kahdesta sedimenttiaikasarjasta hyödyntäen sedimentin geokemiallisia sekä paleobiologisia arkistoja. Valuma-alueen suopeite nousi tutkimuksen alueellisessa tarkastelussa tärkeimmäksi järviveden hiilen määrää ja laatua määrääväksi muuttujaksi havumetsävyöhykkeeltä tundralle. Soilta peräisin olevan, valon läpäisyä vedessä vaimentavan, eloperäisen hiilen vaikutus järvien perustuotantoon oli vähäistä tutkituissa matalissa järvialtaissa. Samanaikainen valuma-alueen ravinnekuorma näkyi sen sijaan perustuotannon kasvuna. Valuma-alueen geomorfologiset piirteet sekä niihin liittyvät hydrologiset prosessit osoittautuivat vastaavasti tärkeiksi vesipatsaan kemiaa sekä hiili- ja ravinnepitoisuuksia määrittäviksi tekijöiksi. Tulokset lyhyemmästä, myöhäisen neoglasiaalin kattavasta sedimenttisarjasta indikoivat voimakasta kytköstä lämpötilavaihteluiden, perustuotannon, piilevien yhteisökoostumuksen, sekä hiilen varastoitumisen välillä. Todennäköisimpänä muutoksia ajavana tekijänä pidettiin lämpötilan vaikutusta jääpeiteajan kestoon. Muutokset pidemmässä, koko jääkauden jälkeisen ajan kattavassa sedimenttisarjassa sen sijaan heijastivat erityisesti sadannan vaihteluita, jotka näkyivät ennen kaikkea piileväyhteisöjen rakenteessa. Tärkeimpänä taustalla olevana prosessina pidettiin kosteusolojen vaikutusta vesipatsaan turbulenssiin sekä vedenpinnan korkeuteen. Kaikkiaan, tutkimus nosti esiin kirjon joko valuma-alueen vaihteluun tai suoremmin lämpötilan ja sadannan muutoksiin liittyviä tärkeitä mekanismeja. Samalla tulokset lisäävät tietoa näihin prosesseihin liittyvistä biologisista vasteista ja vuorovaikutuksista sekä merkityksestä järvien hiilen kierron kannalta. Tutkimuksen tulokset rakentavat parempaa ymmärrystä globaalin muutoksen vaikutuksista matalien subarktisten järviekosysteemien tilaan

Similar works

This paper was published in Helsingin yliopiston digitaalinen arkisto.

Having an issue?

Is data on this page outdated, violates copyrights or anything else? Report the problem now and we will take corresponding actions after reviewing your request.