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

Spatial variability and the assessment of forest streams

Watercourses are a valued part of the Swedish environment. One environmental sub goal concerning watercourses is that no more than 15% of Swedish water courses should be acidified. Initial efforts to assess fulfillment of that goal revealed that Sweden has little chemical or biological data on streams in relation to the number of streams. Most of those streams are also small, and the existing data is heavily biased towards larger watercourses. Having identified the problem, this study seeks to summarize what is known about spatial variability in the chemistry of streams, with an emphasis on the smaller streams, and suggest how to move towards a more adequate assessment of streams. Two specific approaches were examined. One is the use of monitoring data from small lakes to supplement stream data. The other is the use of synoptic surveys (landscape-scale “snapshots”) to define the spatial variability of headwater streamwater chemistry on catchments smaller than 20 km2, the effective cutoff for current monitoring of water courses. The major findings of this project were: • Small lakes can be useful source of information on stream chemistry at the point in the landscape where a lake exists, provided that procedures are developed to account for spatial and temporal differences between what a lake and stream sample represent. • Perennial streams generally exist when 1 km of catchment area has accumulated. Monitoring data is collected on streams with catchment areas greater than 20 km2, mostly on much larger catchment areas. The vast majority of stream length in Sweden has catchment areas 1 - 20 km2. • Differences between the chemistry of nearby streams are much greater for headwaters (1-20 km2 catchment areas) than downstream. Thus we know very little about the distribution of water chemistry and aquatic habitats in headwaters • Headwaters tend to be more acid and sensitive to acidification than downstream. • It is not clear about obligations for assessment of headwaters under the Water Framework Directive, but reason to believe headwaters have great ecological significance. Many human actions and management decisions concern headwaters. • There is a temporal dimension to spatial patterns. Headwaters become more acid at high flow, but many features of the spatial variability are consistent between high and low flow, with DOC an important exception. Persistence of spatial patterns is the basis for predicting high flow conditions from the situation at low flow. • Map information not currently able to improve the understanding of landscape scale patterns on its own. It is possible that GIS can be used in a stochastic approach where one tries to predict the distribution of headwater chemistry relative to downstream. Based on these findings, we suggest: 1. Augmenting the national register of watercourses to include streams on the 1:100 000 Blue map 2. Developing routines for using lake chemistry as surrogates for stream chemistry 3. Surveying headwater chemistry in representative basins from across Sweden to create a basis for predicting the variability and systematic offsets in chemistry upstream from where routine monitoring data are collected. Both agricultural and forested catchments should be considere

Förändringar av halter och transporter av närsalter i flodvattennätet

Tidsserier av närsalthalter i 46 flodmynningsstationer och 29 referensvattendrag inom dennationella miljöövervakningen studerades. I mynningsstationerna studerades även transporter.Analysen omfattade tidsperioden 1980-2004 och variablerna oorganiskt kväve (Oorg-N),totalkväve Tot-N), fosfatfosfor (PO4-P) och totalfosfor (Tot-P). Syftet var att studeraförändringar av närsalthalter och transporter i vattendragen efter den stora reduktionen avpunktutsläpp under 1970-talet. Totalhalten kväve har minskat sedan 1985, framförallt i Västerhavets avrinningsområde.Sedan 1994 kan dock inte konstateras någon trend i koncentrationerna för flodmynningarna.För referensvattendragen ser det annorlunda ut, med en uttalad topp i koncentrationer kring1998. Totalkväve utgörs i de flesta fallen av organiskt bundet kväve, och halten styrs då avvariationen av halten naturligt organiskt kol. Minskningar i Oorg-N (ammoniumkväve + nitratkväve) är tydliga för de jordbruksdomineradevattendragen i Skåne. I de övriga vattendragen är bilden mer diffus, men minskande trender ärvanligare än ökade trender. Den flödesnormerade transporten av Oorg-N är signifikantminskande för två av recipienterna, Västerhavet och Norra Östersjön. Då dessa är domineradeav två större sjöar, Vänern respektive Mälaren, är det tänkbart att minskad direkt deposition avnitrat är orsaken till minskningen. Något generellt samband mellan sjöarea och minskandetrender i Oorg-N kan dock inte synas, vare sig i flodmynningarna eller referensvattendragen.Minskningarna av OorgN var tydligast under maj-juni. Tot-P är minskande för i stort sett samtliga flodmynningar, och även för samtligareferensvattendrag. Minskningen är störst i norra Sverige, med signifikant minskandeflödesnormerade transporter av Tot-P för Bottenhavet och Bottenviken. Under perioden 1992-2000 ökade även koncentrationen av naturligt organiskt kol generellt, vilket är en viktigtransportör av fosfor, vilket alltså borde innebära en ökning även mängden Tot-P. Detta kantyda på att sammansättningen av det organiska materialet förändrats under tidsperioden. Koncentrationen PO4 1980-2004 beskriver en ”måsvingeform”, med toppar i början avperioden, i mitten (kring 1993) och i slutet. Förändringarna i PO4 är svårtolkade, p.g.a. atthalterna oftast är nära detektionsgränsen. Transporterna av närsalter minskar generellt sett till samtliga havsbassänger under perioden1985-2004 med undantag för PO4-P som tenderade att öka. De flesta trenderna var intesignifikanta, men efter flödeskorrigering ökade signifikanserna. Transporterna av oorganisktkväve minskade signifikant till Östersjön och Västerhavet. Även transporten av Tot-Nminskade signifikant till Västerhavet. Transporten av PO4-P ökade till Västerhavet, medan denminskade något till Östersjön. Till Bottenviken, Bottenhavet och Norra Östersjön minskadetotalfosfortransporterna. De minskande trenderna kan åtminstone i jordbruksdominerande vattendrag möjligen relaterastill åtgärder inom jordbruket. I övriga vattendrag kan inga direkta orsaker till trenderna anges.För de minskande kvävetrenderna kan orsaker som minskad kvävedeposition,klimatförändringar och indirekt påverkan av den minskande svaveldepositionen nämnas vidsidan av den naturliga variationen

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

Transit times – the link between hydrology and water quality at the catchment scale

In spite of trying to understand processes in the same spatial domain, the catchment hydrology and water quality scientific communities are relatively disconnected and so are their respective models. This is emphasized by an inadequate representation of transport processes, in both catchment-scale hydrological and water quality models. While many hydrological models at the catchment scale only account for pressure propagation and not for mass transfer, catchment scale water quality models are typically limited by overly simplistic representations of flow processes. With the objective of raising awareness for this issue and outlining potential ways forward we provide a non-technical overview of (1) the importance of hydrology-controlled transport through catchment systems as the link between hydrology and water quality; (2) the limitations of current generation catchment-scale hydrological and water quality models; (3) the concept of transit times as tools to quantify transport and (4) the benefits of transit time based formulations of solute transport for catchment-scale hydrological and water quality models. There is emerging evidence that an explicit formulation of transport processes, based on the concept of transit times has the potential to improve the understanding of the integrated system dynamics of catchments and to provide a stronger link between catchment-scale hydrological and water quality models

Spatial patterns of some trace elements in four Swedish stream networks

Four river basins in southern Sweden, with catchment sizes from 0.3 to 127 km2 (median 1.9), were sampled in October~2007. The 243 samples were analysed for 26 trace elements (Ag, As, Au, Ba, Be, Bi, Cd, Co, Cr, Cu, Ga, Ge, In, La, Li, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, Tl, Ti, U, V and Zn) to identify spatial patterns within drainage networks. The range and median of each element were defined for different stream orders, and relationships to catchment characteristics, including deposition history, were explored. The sampling design made it possible to compare the differences along 40 stream reaches, above and below 53 stream junctions with 107 tributaries and between the 77 inlets and outlets of 36 lakes. The largest concentration differences (at reaches, junctions and lakes) were observed for lakes, with outlets usually having lower concentration compared to the inlets for As, Ba, Be, Bi, Cd, Co, Cr, Ga, Ge, Ni, Pb, Sn, Ti, Tl, U, V and Zn. Significantly lower concentrations were observed for Cd and Co when comparing headwaters with downstream sites in each catchment. Common factor analysis (FA) revealed that As, Bi, Cr, Ga, Ge, Tl and V co-vary positively with Al, Fe and total organic carbon (TOC) and negatively with La, Li and pH. The strong removal of a large number of trace elements when passing through lakes is evident though in the FA, where lake surface coverage plots opposite to many of those elements. Forest volume does not respond in a similar systematic fashion and, surprisingly, the amount of wetland does not relate strongly to either Fe or TOC at any of the rivers. A better understanding of the quantitative removal of organic carbon and iron will aid in understanding trace element fluxes from landscapes rich in organic matter and iron

Mechanical properties of natural cellular materials

Natural cellular materials can be found nearly everywhere in nature: from wood to leaves and cork or looking at the human bone, these structures have been studied more intensively over the last decades. Some of them have been showing exceptional mechanical properties that can compete or even surpass their synthetic competitors. The following sections plan to give a concise overview of some of these materials and their mechanical properties.info:eu-repo/semantics/publishedVersio