Landscape scale patterns in the character of natural organic matter in a Swedish boreal stream network

This paper defines landscape-scale patterns in the character of natural organic matter (NOM) and tests for relationships to catchment soil, vegetation and topography. The drainage network of a boreal catchment, subcatchment size 0.12–78km2, in Northern Sweden was sampled in August 2002 during a period of stable low water flow. The NOM was characterized with UV/Vis spectroscopy, fluorescence, XAD-8 fractionation (%humic substances), gel permeation chromatography (apparent molecular weight), and elemental composition (C:N). The largest spatial variation was found for C:N, absorbance ratio, and specific visible absorptivity. The lowest variation was in fluorescence index, %humic substances and molecular retention time. But the variation in total organic carbon (TOC), iron and aluminium concentration was more than twice that of C:N. Between headwater and downstream sites no significant changes were distinguished in the NOM character. At stream reaches, junctions and lakes little change (<10%) in NOM character was observed. Common factor analysis and partial least squares regression (PLS) revealed that the spatial variation in surface coverage of lakes and mires could explain some of the variation of TOC and NOM character. Our suggestion is that the mosaic of landscape elements (different amounts of water from lakes, forest soil and mires) delivers NOM with varying characteristics to a channel network that mixes conservatively downstream, with possible small changes at some 20 stream reaches, junctions and lake

Synoptisk provtagning av små vattendrag i södra Sverige oktober 2007

Detta projekt syftar till att öka kunskapen om vattenkemi i små skogsdominerade bäckar och omfattar provtagning i ett urval av vattendrag under oktober 2007. I förslaget till reviderat delmål för miljömålet Bara naturlig försurning, förslås att delmålet ska omfatta vattendrag med avrinningsområde större än 2 km². Därför har jämförelse gjorts mellan vattendrag större eller mindre än 2 km², speciellt att hitta mönster mellan utloppet och de små vattendragen (< 2 km²) som inte ingår i det reviderade delmålet. Studien stödjer förslaget om revidering av miljömålet Bara naturlig försurning, om utloppet har högre pH så har de flesta små bäckar det också. För att läsa mer öppna pdf

Variation i biologisk mångfald och samhällsstruktur hos bottenfauna och kiselalger i två små avrinningsområden

Cirka 90% av Sveriges vattendrag avvattnar avrinningsområden mindre än 15 km2. För dessa små vattendrag finns ytterst begränsad kunskap om biologi, kemi och hydrologi. Dessutom saknas information om aktuell status och mänsklig påverkan enligt EU:s vattendirektiv och de nationella bedömningsgrunderna. Normal provtagning av biologi i vattendrag sker på lokaler där avrinningsområdets storlek överskrider 15 km² men vi vet lite om dessa prov också representerar status och mänsklig påverkan för de uppströms liggande små vattendragen. Att det finns eventuella skillnader biologiskt mellan små och större vattendrag beror givetvis inte på avrinningsområdets storlek, utan att denna variabel är korrelerad med ekologiskt viktiga styrvariabler såsom vattenkemi (här främst surhet), substrattyp och strömhastighet. För att använda en enhetlig klassificering i denna rapport delades vattendragen upp i storleksklasser där provtagningslokalerna klassades som små < 2 km2, medelstora 2 – 10 km2 och stora > 10 km2. I studien provtogs totalt 18 stationer med avseende på biologi i två avrinningsområden (Danshytteån och Lugnån). Kemiskt skiljer sig både avrinningsområdena och de tre storleksklasserna åt, framförallt när det gäller de surhetsrelaterade parametrarna. Medelvärdet för antalet taxa av bottenfauna i de små vattendragen var lägre än i de medelstora som i sin tur var lägre än i de stora vattendragen. Det fanns inget samband (korrelation) mellan avrinningsområdets storlek och antalet taxa av bottenfauna. Det var ingen skillnad i antalet räknade taxa mellan de olika vattendragsstorlekarna för kiselalger. Det fanns inte heller något samband (korrelation) mellan antalet räknade kiselalgstaxa och avrinningsområdets storlek. För både bottenfauna och kiselalger fanns en statistiskt säkerställd skillnad i artsammansättning mellan de tre storleksklasserna av avrinningsområden. För kiselalger berodde detta främst på att de små vattendragen är sura, och i dessa hittades surhetsrelaterade taxa, till skillnad från de neutrala (oftast större) vattendragen. För både bottenfauna och kiselalger klassades i princip alla lokaler som hög/god ekologisk status. Ett viktigt resultat från studien är att de nedströms liggande provtagningslokalerna i denna studie inte på ett tillfredsställande sätt kunde påvisa påverkan högre upp i avrinningsområdet (gäller främst pH) där de nedströms liggande lokalerna klassas som nära neutrala eller neutrala medan de små vattendragen uppströms klassas som sura eller mycket sura. Det fanns däremot inte något samband mellan något index (bottenfauna och kiselalger) och totalkvävehalt i vattendragen medan DJ indexet svarade bäst mot totalfosfor gradienten i analysen av de två avrinningsområdena tillsammans. ACID indexet för kiselalger svarade bättre än MISA indexet mot pH gradienten i de två avrinningsområdena tillsammans. Slutsatser: Det är främst tre saker som behöver göras för att utöka vår förståelse för och kunskap om de små vattendragen: i) en provtagningsmetod för bottenfauna som ger jämförbara resultat med den standardiserade sparkprovtagningen bör utvecklas (troligtvis genom att man istället för att ta fem enmetersprov, tar ett större antal prov med en surberliknande provtagare, men där den totala provtagna ytan motsvarar de 1.25 m2 som är den yta som provtas enligt den standardiserade sparkprovtagning), ii) en större jämförelse mellan artsammansättning av bottenfauna och kiselalger i uppströms liggande småvattendrag och nedströms större vattendrag bör genomföras där i första hand opåverkade vattendrag provtas för att se vilken effekt storlek av vattendragen har på den biologiska mångfalden och artsammansättningen när man inte behöver ta hänsyn till olika typer av mänsklig påverkan (opåverkat tillstånd), iii) små vattendrag bör i några fall inkluderas i den nationella miljöövervakningen (trendstationer) för att vi skall få en uppfattning om vilken variation i artsammansättning och biologisk mångfald det finns i dessa små system jämfört med större vattendrag (de är ju t.ex. i mycket högre utsträckning än större vattendrag utsatta för risken för uttorkning respektive bottenfrysning jämfört med de större vattendrage

Accounting for instream lakes when interpolating stream water chemistry observations

Direct monitoring of stream water chemistry is an increasingly important tool for securing stream water quality and assessing stream ecological functioning as it relates to overall ecosystem health. Such monitoring is often discontinuous in spatial extent and, thus, needs to be interpolated at unsampled locations if the desired end product is a continuous map of stream water chemistry. Recently there have been major advances in the use and development of geostatistical methods (such as kriging) for interpolating between observations of stream water chemistry within stream networks. This study investigated the influence of distance definition on interpolation of synoptically collected stream water chemistry samples. In particular, we developed a new methodology for adjusting instream distances between stream water chemistry observations such that instream lakes (which are ubiquitous in northern, boreal landscapes) are explicitly accounted for in geostatistical interpolations. The methodology developed was tested using stream chemistry data for five different constituents coming from synoptic sampling campaigns conducted across four boreal Swedish catchments during two distinct seasons. The ability of this new, lake adjusted instream distance (LAID) to produce interpolated maps of stream water chemistry was compared to that of traditional Euclidean distance (ED) and instream distance (ID). The results indicated that using LAIDs in this boreal landscape tended to improve interpolation compared to the other distance definitions considered. The grade of improvement, however, tended to vary between the constituent, watershed and season considered suggesting that the influence of instream lakes on water chemistry is quite variable in this landscape throughout the year

Abrupt changes in air temperature and precipitation - do they matter for organic matter?

We analyzed 120 years long time series of air temperature and precipitation from 29 respective 44 sites distributed all over Sweden and determined abrupt changes (regime shifts) by using three different methods. The used methods are the Excel add-in ‘Sequential Regime Shift Detection version 3.2’ (SRSD), the software Change-Point Analyzer version 2.3 and the manually performed CUSUM/Pettit-test. Since all three methods revealed similar results we focused on the first method. The SRSD use yearly mean values and assumes no apriori of when the abrupt change should occur, but the time series must be continuous. The differences in the mean between two time periods (regimes) were tested with Student’s t-test, assuming that the variances for both periods are the same. Serial correlation was modelled by the first order autoregressive model (AR1). The AR1 coefficient in this study was estimated by MPK (Marriott, Pope and Kendall). For air temperature we found shifts in 1930 and 1989 (the largest), for precipitation in 1920, 1979 and 1998 (the largest). Accordingly we analyzed more than 30 year long time series of water discharge and watercourses chemistry (16 variables) of 87 sites (1975-2005), and ice cover for 333 lakes. Except of ice cover we were not able to find any strong response in water chemistry to the abrupt air temperature increase in 1989. First a weak abrupt change in precipitation in 1998 had an impact on water discharge and consequently on watercourses chemistry. Most profound effects were observed on absorbance (420 nm), chemical oxygen demand (both increased) and sulphate (decreased), to a lesser degree on the ratio between absorbance and CODMn, turbidity, organic nitrogen and chloride. Our results clearly show that a sudden strong air temperature increase itself is not sufficient to cause abrupt change in watercourses chemistry in Sweden. However, a sudden increase in precipitation and discharge can lead to abrupt change in water chemistry. The increase in air temperature could liberate more and more easily mobilized organic matter in the system, making the system more sensible to changes in precipitation. Sudden increases in precipitation and discharge are predicted for most parts of Sweden. Such abrupt changes might have far reaching consequences for biological processes in aquatic ecosystems

Spatial variation of dissolved organic carbon along streams in Swedish boreal catchments

Denna avhandling behandlar den småskaliga rumsliga variationen av löst organiskt kol (DOC, engelsk term: dissolved organic carbon), dess koncentration, masstransport och karaktär, i bäckar inom två barrskogsbeklädda avrinningsområden (delavrinningsområden 0,01-78 km²). Provtagningen gjordes uppströms och nedströms varje bäckförgrening under sommarbasflöde. Koncentrationen av DOC varierade inom en tiopotens (4-66 mg/l), liksom flera andra kemiska parametrar. Vid riksinventeringen av vattendrag för 2000 i norra Sverige noterades en snarlik spännvidd. Enligt Naturvårdverkets bedömningsgrunder för sjöar och vattendrag återfanns alla tillståndsklasser för DOC och pH, samt mänsklig påverkansgrad till försurningen inom de två studerade områdena. Den specifika avrinningen (flöde per areaenhet) varierade kraftigt i källflödena och inverkade på deras bidrag till kemin nedströms. Vattenkemin och specifika avrinningen var stabila i delavrinningsområden större än 15 km². Det kan vara nödvändigt att provta så stora områden om generella värden för landskapet önskas, men källflödenas kemi kommer då inte att kunna karakteriseras, ehuru källflödena utgör den största delen av bäcksträckan och det akvatiska ekosystemet. Nedströms är DOC-koncentrationen, och många andra kemiska parametrar, lika med summan av bidragen från källflödena och nedströms utspädning av inflödande vatten. Tillkommer gör processer inom bäcken och vattnets utbyte med botten/grundvatten (den hyporheiska zonen), men även DOC-förluster/transformationer vid vissa bäckförgreningar och sjöar. Ovanstående resonemang förklarade bäckvattenkemins minskande variation och vanligen lägre DOC-koncentrationer nedströms i ett landskapsperspektiv. Längs bäcksträckorna observerades ingen generell minskning av DOC-koncentration eller ändring av dess karaktär. Skillnaden i DOC-koncentration och relaterade parametrar mellan källflöden och nedströms styrdes i hög grad av vilka landskapselement (myrar, sjöar och skogsmark) som vattnet hade passerat innan det hamnade i bäckarna, samt samspelseffekter med den specifik avrinningen och platserna med DOC-förlust. Prognoser med multivariata modeller baserade på kartinformation testades men kunde inte förutsäga det rumsliga mönstret eller DOC-koncentrationen med erforderlig precision. Lämpliga rutiner inom miljöövervakningen för att övervaka den rumsliga variationen av kemin i ytvatten saknas alltjämt. Vid planering av terrestra och akvatiska skötselåtgärder bör man beakta bäckvattnets naturliga kemiska variation.This thesis quantifies the small-scale spatial variation of dissolved organic carbon (DOC) concentrations, fluxes and character in two boreal catchments (subcatchments 0.01-78 km²) using ”snapshots” of summer base flow where samples were taken upstream and downstream from every node in the stream network. An order of magnitude variation was found in DOC-concentrations, and many other chemical parameters. The range was similar to that found in all of northern Sweden by the national stream survey in 2000. According to the official assessment tools used in Sweden, the entire range of environmental status for DOC, pH and human acidification influence existed within these two study catchments. A large variability in specific discharge had a major impact on the contribution of headwaters to downstream chemistry. The water chemistry parameters were relatively stable at catchment areas greater than 15 km². Sampling at that scale may be adequate if generalised values for the landscape are desired. However the chemistry of headwaters, where much of the stream length and aquatic ecosystem is found would not be characterized. Downstream DOC-concentrations, as well as many other chemical parameters, are the sum of headwater inputs, in combination with progressive downstream dilution by inflowing water with its own DOC-concentration and character. Superimposed upon this are in-stream and hyporheic processes, as well as discrete loci of DOC loss/transformation at lakes and stream junctions. At the landscape scale, this results in a decreased downstream variation in stream water chemistry and often, but not necessarily, lower average DOC-concentrations. Along stream reaches there was not a loss of DOC-concentration or a consistent change in character. While the importance of in-stream/hyporheic processes that consistently alter DOC-concentrations along the channel network cannot be ruled out, the differences between headwater and downstream DOC-concentrations and related parameters depend largely on the mosaic of landscape elements (mires, lakes and forest soil) contributing water to the channel network, combined with patterns of specific discharge and discrete loci of DOC loss. Assessment would be facilitated by map information that could predict spatial patterns. Multivariate models using maps, however, did not give satisfactory predictions. Appropriate procedures for dealing with spatial variation in the environmental assessment of surface waters are not yet established. An awareness of stream water chemistry’s natural spatial variability should be considered when planning aquatic and terrestrial management

Nedströmseffekter från återvätning av dikad skog på torv

Effekten av återvätning av dikespåverkad skog på torv undersöktes här med modellberäkningar för hela Sverige för att se om markfuktighet, grundvattennivå samt nedströms flöden och koncentration av näringsämnena kväve, fosfor och organiskt kol väsentligt kunde påverkas. Studien utfördes genom att införa förbättrad information om diken i den hydrologiska modellen S-HYPE och sedan beräkna flöden och transport av näringsämnen med modellen, med och utan återvätning. För diken hämtades information om placering från en ny kartläggning. Det antogs här att samtliga diken hade ett djup av 0,7 m och att grundvattnet kunde påverkas inom 20 m från dikena. I den hydrologiska modellen utfördes beräkningar inom ca 40 000 delavrinningsområden som täcker hela landet. Dessa har en genomsnittlig storlek av ca 10 km2. Information gällande andel markyta som täcks av olika kombinationer av markanvändningar och jordarter, samt information om flöden och koncentration av ämnen i vattendrag och sjöar beräknades och representeras på denna skalan. Modellresultat för till exempel grundvattennivåer och markfuktighet finns dock för respektive markklass, såsom skog på torv. Enligt beräkningarna höjdes grundvattennivån i dikespåverkad skog på torv vid återvätning oftast upp till ca 14 cm, vilket motsvarar i genomsnitt ca 2 cm höjning för skog på torv där även odikad torv räknas in. Förändringar av markfuktighet samt av flöden (låg-, medel- och högflöden) och koncentrationer av kväve, fosfor och organiskt kol vid utloppet från varje delavrinningsområde i landet, var under 2 % när all dikespåverkad skog på torv återvättes. Effekten i vattendrag på skalan av delavrinningsområden blev alltså liten. Den största orsaken till att påverkan blir så liten på skalan av delavrinningsområden är den lilla andelen dikespåverkad skog på torv av totala arean i delavrinningsområden enligt implementeringen av information om diken, oftast mindre än 1 %. Dock finns faktorer somskulle kunna öka påverkan nedströms och som inte varit med i beräkningarna, till exempel tillrinning från omgivande mark till dikespåverkad torv, och möjlighet att ha djupare diken än 0,7 m. Effekten av detta skulle kunna undersökas genom modellutveckling och känslighetsanalys. Det finns också osäkerhet i simulering av organiskt kol där processer i ytvatten inte ingick i denna studie, och där processer i bäcknära zon kan vidareutvecklas. Fler observationer av flöden och ämneskoncentrationer före och efter dikesblockering skulle också vara av stort värde för att öka kunskapen om de viktiga processerna och gesäkrare beslutsunderlag.The effect of re-wetting ditch-affected forest on peat was investigated here with model calculations for the whole of Sweden to see if soil moisture, groundwater level as well as downstream flows and concentration of the nutrient nitrogen, phosphorus and organic carbon could be significantly affected. The study was carried out by introducing improved information about ditches in the hydrological model S-HYPE and then calculating flows and transport of nutrients with the model, with and without re-wetting. For ditches, information about placement was collected from a new survey. It was assumed here that all the ditches had a depth of 0.7 m and that groundwater could be affected within 20 m of the ditches. In the hydrological model, calculations were carried out in about 40,000 subcatchment covering the whole country. These have an average size of about 10 km2. Information on the proportion of land area covered by different combinations of land uses and soil types, as well as information on flows and concentrations of substances in watercourses and lakes were calculated and represented on this scale. However, model results for e.g. groundwater levels and soil moisture exist for each soil and land use class, such as forest on peat.  According to the calculations, the groundwater level in drained forest on peat during re-wetting was usually raised up to about 14 cm, which corresponds to an average of about 2 cm increase for forest on peat where even peat with no ditching is included. Changes in soil moisture as well as in flows (low, medium and high flows) and concentrations of nitrogen, phosphorus and organic carbon at the outlet of each sub-basin in the country, were below 2% when all drained forest on peat was rewetted. The effect in watercourses on the scale of sub-catchment areas was thus small.  The main reason why the impact is so small on the scale of sub-catchments is the small proportion of drained forest on peat on this scale according to the implementation of information on ditches, usually less than 1%. However, there are factors that could increase the impact downstream and that have not been included in the calculations, such as runoff from surrounding soil to ditch-affected peat, and the possibility of having deeper ditches than 0.7 m. The effect of this could be investigated through model development and sensitivity analysis. There is also uncertainty in the simulation of organic carbon where processes in surface water were not included in this study, and where processes in the riparian zone can be further developed. More observations of flows and substance concentrations before and after rewetting would also be of great value in increasing knowledge about the important processes and providing better support for decision-making.

Spatial variation in discharge and concentrations of organic carbon in a catchment network of boreal streams in northern Sweden

Total organic carbon (TOC) is an important feature of water quality in Fenno- Scandia’s till catchments. In this study we estimated the contribution of headwater streams to downstream TOC, tested the hypothesis that TOC-concentration decreases downstream and explored mechanisms for the observed patterns. The drainage network of a boreal catchment (66 sites) in northern Sweden, with subcatchment sizes 0.11– 78 km², was sampled in August 2002. In the headwaters there was a large variation in TOC-concentration (4–66 mg l⁻¹) as well as other chemical parameters and specific discharge (0.13–8.2 l s⁻¹ km⁻²). Further downstream there was less variation in both chemistry and specific discharge. Both flow and chemistry stabilized at catchment areas larger than 5 km². No clear indication of in-stream processing effects on downstream TOC was observed, though there was TOC loss at lakes and some stream junctions. To test whether the observed downstream decrease is different than that expected from conservative mixing along the stream network, we used a Monte Carlo approach to simulate downstream conservative mixing. The observed spatial variability was higher than the simulated, indicating that landscape-scale patterns are more than conservative mixing of random inputs. While the importance of in-stream processes that alter TOC-concentrations cannot be ruled out, and loci of TOC loss do exist, we propose that headwater/downstream patterns in TOC, and related parameters depend largely on the mosaic of landscape elements (mires, lakes and forest) together with specific discharge