Phytoplankton species richness patterns in small Estonian lakes

Abstract

Magistritöö Kalanduse ja rakendusökoloogia õppekavalFütoplanktoni kooslused moodustavad mageveekogude esmase produktsiooni ja toitainete ringe ning nende liigirikkus peegeldab keskkonnaseisundit ja ökosüsteemi stabiilsust. Eesti väikejärved, mille kujunemine on seotud liustikulise päritoluga ja piirkondlike hüdroloogiliste iseärasustega, pakuvad mitmekesist raamistikku fütoplanktoni dünaamika uurimiseks, kuid alusuuringuid selle kohta on seni vähe. Käesoleva magistritöö eesmärk on tuvastada ja hinnata, millised keskkonntegurid (järve ja valgala morfomeetria, maakasutus, geoloogiline aluspõhi ja järvede maastikuline tihedus) määravad Eesti väikejärvede suvise fütoplanktoni liigirikkuse, liikide ühtluse ja biomassi. Uurimus põhineb riikliku seireprogrammi andmetel 2000 – 2020 ning Maa- ja Ruumiameti avaandmetel järve ja valgalade morfomeetrilise, maakasutus- ja geoloogilise konteksti kohta. Statistiliseks analüüsiks kasutati R programmis Random Forest ja XGBoost mudeleid, kombineerituna ruumilise autokorrelatsiooni hindava MEM-analüüsiga. Ruumiline autokorrelatsioon (Morani omavektorkaardi ehk MEM-komponendid) selgitas olulise osa liigirikkuse ja ühtluse variatsioonist, toetades metapopulatsiooni mehhanismide tähtsust. Järvede pindala, kaldajoone keerukus ja järve valgala pindala suhe mõjutasid nii liigirikkust, ühtlust kui ka biomassi mittelineaarselt. Keskmised väärtused maksimeerisid produktiivsust ja mitmekesisust, äärmuslikud aga stabiliseerisid koguarvud. Mõõdukas põllumaa ja rohumaa osakaal valgalal suurendas liigirikkust ja biomassi, samal ajal kui intensiivne põllumajandus vähendas mitmekesisust; metsa ning soo mõjud olid tagasihoidlikumad. Random Forest ja XGBoost andsid sarnased tulemused, tugevdades järelduste usaldusväärsust, kuid vähese andmetihedusega aladel nõuab tulemuste tõlgendus ettevaatust, muuhulgas ka sisendandmete multikollineaarsuse tõttu. Need leiud võiksid anda aluse Eesti väikejärvede järelseire ja kaitseprogrammide täpsustamiseks, keskendudes eriti morfomeetrilistele ja maakasutuslikele teguritele, mis kujundavad enim fütoplanktoni mitmekesisust ja tootlikkust.Phytoplankton communities form the basis for primary production and nutrient cycles in freshwater bodies. Phytoplankton their species richness reflects the environmental status and ecosystem stability. Small Estonian lakes, the formation of which is related to glacial origin and regional hydrological characteristics, offer a diverse framework for studying phytoplankton dynamics but basic research on this topic is still sparse. The aim of this master’s thesis is to identify and assess which environmental factors (lake and catchment morphometry, land use, geological bedrock, and landscape density of lakes) determine the species richness, species evenness, and biomass of summer phytoplankton in small Estonian lakes. The study is based on data from the national monitoring program 2000 – 2020 and open source data from the Estonian Land and Spatial Development Board on the morphometrics, land use, and gelogical context of the lake and catchments. Statistical analysis was performed using Random Forest and XGBoost models in R, combined with Moran Eigenvalue Map (MEM) analysis to assess spatial autocorrelation. Spatial autocorrelation (MEM components) explained a significant part of the variation in species richness and evenness. Lake area, shoreline complexity, and lake catchment area ratio all affected species richness, evenness, and biomass in a nonlinear manner. Average values maximized productivity and diversity. Moderate cropland and grassland coverage in the catchment increased species richness and biomass, while intensive agriculture reduced diversity, forest and bog had more modest effects. Random Forest and XGBoost yielded similar results, strengthening the reliability of the conclusions. However, in regions with sparse sampling, interpretation of accumulated local effects (ALE) plots should be approached cautiously due to potential multicollinearity. These results provide a scientific basis for refining monitoring and conservation strategies for small lakes in Estonia, with particular emphasis on morphometric and land-use factors that most strongly influence phytoplankton diversity and productivity