Resilience of Alternative Stable States during the Recovery of Shallow Lakes from Eutrophication: Lake Veluwe as a Case Study

In this paper we analyze a long-term dataset on the recovery from eutrophication of Lake Veluwe (The Netherlands). Clear hysteresis was observed in a number of ecosystem variables: the route to recovery differed significantly from the route that led to loss of clear water. The macrophyte dominated state disappeared in the late 1960s at TP above 0.20mgl−1, whereas its return occurred at less than 0.10mgTPl−1. Several regime shifts resulting in the occurrence of three alternative stable states were observed over a period of 30years. The turbid state showed resistance to change, despite a strong and prompt reduction in Chl-a following reduction of external P-loading. The most important component that determined hysteresis in the return to clear water was not internal P-loading, but a high level of nonalgal light attenuation (through sediment resuspension) maintained by the interaction between wind and benthivorous fish. Although Chara was able to re-colonize the most shallow parts of the lake, recovery stalled and for a number of years clear (above charophyte beds) and turbid (deeper parts of the lake) water co-existed, as a separate alternative state on route to full recovery. Lake-wide clear water was re-established after bream density had been reduced substantially. This allowed a return of zebra mussels to the lake, whose high filtration capacity helped in maintaining clear water. In this study, we were able to identify the main drivers of hysteresis and regime shifts, although formal demonstration of cause and effect was not possible on the basis of field data alone. We argue that resilience of the present clear water state of Lake Veluwe very much depends on sizable populations of a few keystone species, especially Chara (stoneworts) and Dreissena (zebra mussels), and that careful management of these species is equally important as control of nutrients. Lake management should strive to maintain and strengthen resilience of the ecosystem, and this should offer protection against a renewed collapse of the clear stat

Further improvements in water quality of the Dutch Borderlakes : two types of clear states at different nutrient levels

The Borderlakes are a chain of ten shallow, largely artificial, interconnected lakes in the Netherlands. The ecological recovery of the central Borderlakes (viz. lake Veluwe and Wolderwijd) has been well documented. These lakes shifted from a eutrophic, Planktothrix dominated state in the 1970s to a clear state in 1996. Around 2010, the formerly hypertrophic, southern Borderlake Eem also reached a clear state, but at considerably higher nutrient levels. In this paper, monitoring data are used to compare these changes and identify the differences in driving processes and their consequences. The 1996 shift in Lake Veluwe was linked to increased fishery for benthivorous Bream, followed and stabilized by increase in Zebra Mussels and charophytes. Nutrients in Lake Eem decreased as well and Planktothrix disappeared here too in 1996, despite relatively high TP concentrations which remained stable over time. The start of the change into the clear state in this case also involved a decrease in the Bream population, but with a stronger additional role for dreissenids, particularly of Quagga Mussels. Remaining blooms of cyanobacteria almost disappeared, but the current situation in Lake Eem represents a different type of clear water state than in the central Borderlakes. This type is characterized by the combination of a relatively high phosphorus load, intense dreissenid filtration and filamentous macro-algae instead of either blooms of cyanobacteria or dominance of charophytes. With the dominant role of the River Eem, the relatively short residence time and increasing difficulty to bring down nutrient loading any further, the stability of this clear state depends on high densities (and filtration rates) of dreissenids.</p

Het bodemvoedselweb in het Markermeer : Over de rol van zwavelbacteriën – wormen - brasem

Deze literatuurstudie was niet allesomvattend. Daarvoor is er te veel literatuur beschikbaar om in korte tijd door te nemen. Wel is een beter beeld verkregen van de rol en onderlinge interacties van draadvormende zwavelbacteriën, wormen en vissen in het benthische deel van zoetwatermeren, in het bijzonder het Markermeer. Draadvormende, meercellige, kleurloze zwavelbacteriën vormen kolonies die in het sediment leven en zich manifesteren als uitgebreide matten en die de zuurstofloze zwavelhoudende dieper gelegen bodemlaag verbinden met de bovenliggende zuurstofhoudende laag. Elke cel van deze bacterie bevat een grote vloeistofvacuole die wordt gebruikt als opslag voor nitraat en zwavel. Het nitraat wordt gebruikt als een elektronenacceptor voor sulfide-oxidatie waarbij energie beschikbaar komt om organisch materiaal om te zetten in groei. De draadvormende zwavelbacterie is lang en sommige soorten vormen een schede waarbinnen de bacteriën tot diep in het sediment kunnen glijden en zich daarmee verplaatsen tussen de zuurstofhoudende (aerobe en nitraatbevattende) en de zuurstofloze (anaerobe en zwavelrijke) bodemlaag. In en op deze schede kunnen ook andere (zwavel)bacteriën voorkomen

Ecologische kantelpunten in de Nederlandse grote wateren : Discussie memo over recente inzichten, voorbeelden en onderzoeksvragen

Deze memo beschrijft recente inzichten op het terrein van ecologische kantelpunten die zijn opgedaan in onderzoek en bij Rijkswaterstaat. Gegeven de korte projectduur (twee maanden) is er niet gestreefd naar volledigheid, maar zijn er inzichten bijeengebracht die behulpzaam zijn om de discussie aan te zwengelen over wat de kantelpuntentheorie kan betekenen voor het beheer, evaluatie en monitoring van de grote wateren. In het sterk gemodificeerde Nederlandse watersysteem is het moeilijk om vast te stellen of alternatieve evenwichten onder gelijke condities mogelijk zijn en dat kantelpunten hiertussen plaatsvinden. Alternatieve evenwichten en terugkoppelingsmechanismen zijn het best onderbouwd en omschreven in de literatuur voor de Waddenzee en Veluwemeer. In de estuaria zijn er veel indicaties maar ook veel onzekerheden. In het rivierengebied is het de vraag of alternatieve evenwichten kunnen bestaan. Het beter begrijpen van terugkoppelingsmechanismen in de Nederlandse zoete en zoute wateren, en de interacties hiertussen, wordt echter breed onderschreven. Terugkoppelingsmechanismenzijn met het kantelpuntenconcept goed te onderzoeken voor alle watersystemen en een beter begrip hierover is nuttig voor beleidsevaluaties, het inschatten van het effect van ecologische ingrepen en monitoringsplannen. Het is belangrijk om ook rekening te houden met ‘onbekende’ en niet kwantificeerbare factoren die de veerkracht van een ecosysteem kunnen beïnvloeden. Er is nog niet veel bekend over de invloed van microverontreinigingen, trofische cascades (vissen, vogels), microbiële bodemactiviteit en de rol van hydromorfologische dynamiek in rivieren en estuaria op de ecologische veerkracht van een watersysteem. Het is aan te bevelen om eerst met een aantal casestudies teverkennen wat de mogelijkheden en datavereisten zijn om met langjarige tijdreeksen (ecologie, waterkwaliteit) indicatoren te bepalen die iets zeggen over verandering in ecologische veerkracht. Voorts doen wij de aanbeveling om het begrip ' Safe operating Space’ beter hanteerbaar te maken voor wateren natuurbeheerders

Ecologische kantelpunten in de Nederlandse grote wateren : Discussie memo over recente inzichten, voorbeelden en onderzoeksvragen

Deze memo beschrijft recente inzichten op het terrein van ecologische kantelpunten die zijn opgedaan in onderzoek en bij Rijkswaterstaat. Gegeven de korte projectduur (twee maanden) is er niet gestreefd naar volledigheid, maar zijn er inzichten bijeengebracht die behulpzaam zijn om de discussie aan te zwengelen over wat de kantelpuntentheorie kan betekenen voor het beheer, evaluatie en monitoring van de grote wateren. In het sterk gemodificeerde Nederlandse watersysteem is het moeilijk om vast te stellen of alternatieve evenwichten onder gelijke condities mogelijk zijn en dat kantelpunten hiertussen plaatsvinden. Alternatieve evenwichten en terugkoppelingsmechanismen zijn het best onderbouwd en omschreven in de literatuur voor de Waddenzee en Veluwemeer. In de estuaria zijn er veel indicaties maar ook veel onzekerheden. In het rivierengebied is het de vraag of alternatieve evenwichten kunnen bestaan. Het beter begrijpen van terugkoppelingsmechanismen in de Nederlandse zoete en zoute wateren, en de interacties hiertussen, wordt echter breed onderschreven. Terugkoppelingsmechanismenzijn met het kantelpuntenconcept goed te onderzoeken voor alle watersystemen en een beter begrip hierover is nuttig voor beleidsevaluaties, het inschatten van het effect van ecologische ingrepen en monitoringsplannen. Het is belangrijk om ook rekening te houden met ‘onbekende’ en niet kwantificeerbare factoren die de veerkracht van een ecosysteem kunnen beïnvloeden. Er is nog niet veel bekend over de invloed van microverontreinigingen, trofische cascades (vissen, vogels), microbiële bodemactiviteit en de rol van hydromorfologische dynamiek in rivieren en estuaria op de ecologische veerkracht van een watersysteem. Het is aan te bevelen om eerst met een aantal casestudies teverkennen wat de mogelijkheden en datavereisten zijn om met langjarige tijdreeksen (ecologie, waterkwaliteit) indicatoren te bepalen die iets zeggen over verandering in ecologische veerkracht. Voorts doen wij de aanbeveling om het begrip ' Safe operating Space’ beter hanteerbaar te maken voor wateren natuurbeheerders

Effects of Suspended Sediments on Seston Food Quality for Zebra Mussels in Lake Markermeer, The Netherlands

Until 1992, zebra mussels (Dreissena polymorpha) were an important food source for diving ducks in Lake Markermeer (The Netherlands). After 1993, the mussel biomass sharply declined, and the current population is in poor condition (maximum shell length &lt;15 mm) compared to populations from adjacent Lake IJsselmeer. Lake Markermeer is characterized by high concentrations of total suspended matter (TSM), including 70% inorganic suspended sediments (ISS) affected by wind-driven resuspension, which may influence the food uptake by the mussels. We assessed whether the poor condition of the zebra mussels in Lake Markermeer could be attributed to the high TSM concentrations, and especially the fraction of ISS. In situ measurements of near-bottom TSM concentrations were linked to wind-driven wave action, and experiments were carried out using increasing natural sediment (NS) concentrations combined with a fixed concentration of a green alga (Scenedesmus obliquus) to determine the clearance rates (CR) of adult and juvenile zebra mussels. CR on NS particles decreased with increasing NS concentrations. The CR on S. obliquus, however, increased with an increasing NS concentration up to 0.75 g L&minus;1 for adult mussels, indicating that zebra mussels can tolerate relatively high TSM concentrations and selectively graze on phytoplankton. Zebra mussels eventually reduce their CR at high TSM concentrations; the CR of juvenile mussels on S. obliquus collapsed at NS concentrations &gt;0.5 g L&minus;1. The NS concentrations used in this study are high, but analyses of the near-bottom TSM concentrations show that these values occur frequently and may be partly responsible for the poor mussel status in Lake Markermeer

Resilience of alternative stable states during the recovery of shallow lakes from eutrophication: Lake Veluwe as a case study

In this paper we analyze a long-term dataset on the recovery from eutrophication of Lake Veluwe (The Netherlands). Clear hysteresis was observed in a number of ecosystem variables: the route to recovery differed significantly from the route that led to loss of clear water. The macrophyte dominated state disappeared in the late 1960s at TP above 0.20 mg l(-1), whereas its return occurred at less than 0.10 mg TP l(-1). Several regime shifts resulting in the occurrence of three alternative stable states were observed over a period of 30 years. The turbid state showed resistance to change, despite a strong and prompt reduction in Chl-alpha following reduction of external P-loading. The most important component that determined hysteresis in the return to clear water was not internal P-loading, but a high level of nonalgal light attenuation (through sediment resuspension) maintained by the interaction between wind and benthivorous fish. Although Chara was able to re-colonize the most shallow parts of the lake, recovery stalled and for a number of years clear (above charophyte beds) and turbid (deeper parts of the lake) water co-existed, as a separate alternative state on route to full recovery. Lake-wide clear water was re-established after bream density had been reduced substantially. This allowed a return of zebra mussels to the lake, whose high filtration capacity helped in maintaining clear water. In this study, we were able to identify the main drivers of hysteresis and regime shifts, although formal demonstration of cause and effect was not possible on the basis of field data alone. We argue that resilience of the present clear water state of Lake Veluwe very much depends on sizable populations of a few keystone species, especially Chara (stoneworts) and Dreissena (zebra mussels), and that careful management of these species is equally important as control of nutrients. Lake management should strive to maintain and strengthen resilience of the ecosystem, and this should offer protection against a renewed collapse of the clear state