Lakes are an important component of ecosystem carbon cycle through both organic carbon sequestration and carbon dioxide and methane emissions, although they cover only a small fraction of the Earth's surface area. Lake sediments are considered to be one of rather perma-nent sinks of carbon in boreal regions and furthermore, freshwater ecosystems process large amounts of carbon originating from terrestrial sources. These carbon fluxes are highly uncer-tain especially in the changing climate. -- The present study provides a large-scale view on carbon sources and fluxes in boreal lakes situated in different landscapes. We present carbon concentrations in water, pools in lake se-diments, and carbon gas (CO2 and CH4) fluxes from lakes. The study is based on spatially extensive and randomly selected Nordic Lake Survey (NLS) database with 874 lakes. The large database allows the identification of the various factors (lake size, climate, and catchment land use) determining lake water carbon concentrations, pools and gas fluxes in different types of lakes along a latitudinal gradient from 60oN to 69oN.
Lakes in different landscapes vary in their carbon quantity and quality. Carbon (C) content (total organic and inorganic carbon) in lakes is highest in agriculture and peatland dominated areas. In peatland rich areas organic carbon dominated in lakes but in agricultural areas both organic and inorganic C concentrations were high. Total inorganic carbon in the lake water was strongly dependent on the bedrock and soil quality in the catchment, especially in areas where human influence in the catchment is low. In inhabited areas both agriculture and habitation in the catchment increase lake TIC concentrations, since in the disturbed soils both weathering and leaching are presumably more efficient than in pristine areas.
TOC concentrations in lakes were related to either catchment sources, mainly peatlands, or to retention in the upper watercourses. Retention as a regulator of the TOC concentrations dominated in southern Finland, whereas the peatland sources were important in northern Finland. The homogeneous land use in the north and the restricted catchment sources of TOC contribute to the close relationship between peatlands and the TOC concentrations in the northern lakes. In southern Finland the more favorable climate for degradation and the multiple sources of TOC in the mixed land use highlight the importance of retention.
Carbon processing was intensive in the small lakes. Both CO2 emission and the Holocene C pool in sediments per square meter of the lake area were highest in the smallest lakes. How-ever, because the total area of the small lakes on the areal level is limited, the large lakes are important units in C processing in the landscape. Both CO2 and CH4 concentrations and emissions were high in eutrophic lakes. High availability of nutrients and the fresh organic matter enhance degradation in these lakes. Eutrophic lakes are often small and shallow, enabling high contact between the water column and the sediment. At the landscape level, the lakes in agricultural areas are often eutrophic due to fertile soils and fertilization of the catchments, and therefore they also showed the highest CO2 and CH4 concentrations. Export from the catchments and in-lake degradation were suggested to be equally important sources of CO2 and CH4 in fall when the lake water column was intensively mixed and the transport of sub-stances from the catchment was high due to the rainy season. In the stagnant periods, especially in the winter, in-lake degradation as a gas source was highlighted due to minimal mixing and limited transport of C from the catchment.
The strong relationship between the annual CO2 level of lakes and the annual precipitation suggests that climate change can have a major impact on C cycling in the catchments. Increase in precipitation enhances DOC export from the catchments and leads to increasing greenhouse gas emissions from lakes. The total annual CO2 emission from Finnish lakes was estimated to be 1400 Gg C a-1. The total lake sediment C pool in Finland was estimated to be 0.62 Pg, giving an annual sink in Finnish lakes of 65 Gg C a-1.Hiili esiintyy järvissä sekä orgaanisessa että epäorgaanisessa muodossa. Orgaaninen hiili voi olla peräisin järvessä tapahtuvasta perustuotannosta tai huuhtoutua järveen ympäröivän valuma-alueen kasvillisuudesta tai maaperästä. Epäorgaaninen hiili esiintyy järvessä joko liuenneina karbonaatteina, bikarbonaatteina tai kaasumaisessa muodossa hiilidioksidina ja metaanina. Bikarbonaatti on peräisin maaperässä tapahtuvasta rapautumisesta, mutta hiilidioksidi muodostuu pääosin orgaanisen aineen hajoamisen seurauksena. Hapettomissa oloissa hajoamisen seurauksena muodostuu metaania.
Järvet ovat tärkeä osa ekosysteemin hiilenkiertoa, koska maaekosysteemistä huuhtoutunutta orgaanista ainesta hajoaa järvissä muodostaen ilmastoa lämmittäviä metaani- ja hiilidioksidikaasuja. Osa järvessä muodostuvasta ja ympäröivältä valuma-alueelta tulevasta hiilestä varastoituu järvien pohjasedimenttiin. Tässä tutkimuksessa selvitimme järvien roolia hiilikaasujen lähteenä ja hiilen varastona. Lisäksi tutkimme valuma-alueelta järviin tulevan hiilen alkuperää sekä hiilen eri muotojen (orgaaninen, epäorgaaninen) suhteellista osuutta erilaisissa järvissä. Tutkimus perustuu satunnaisotannalla valittuun Pohjoismaiseen järvikartoitusaineistoon, joka käsittää 874 järveä etelärannikolta pohjoisimpaan Suomeen. Laaja aineisto mahdollistaa tulosten yleistämisen Suomen ja koko boreaalisen alueen mittakaavassa.
Erityyppisillä alueilla sijaitsevat järvet poikkesivat toisistaan järviveden hiilen määrän suhteen. Hiilen kokonaismäärä vedessä oli suurin maatalous- tai turvemaavaltaisilla alueilla. Turvemaavaltaisilla alueilla orgaaninen hiili oli pääasiallinen hiilen muoto järvissä, mutta maatalousvaltaisilla alueilla sekä orgaanisen että epäorgaanisen hiilen pitoisuudet olivat suuria. Metsäisillä mineraalimailla sijaitsevat järvet olivat tyypillisesti vähähiilisiä. Tutkimustulosten perusteella voitiin havaita että järvien orgaanisen hiilen pitoisuudet määräytyivät järveä ym-päröivältä valuma-alueelta, lähinnä turvemailta, tulevan kuormituksen perusteella etenkin Pohjois-Suomessa. Yläpuolisissa järvissä tapahtuva orgaanisen aineen pidättyminen hajoamisen tai sedimentoitumisen myötä oli etenkin eteläisessä Suomessa keskeinen järvien orgaanisen hiilen määrää säätelevä tekijä, mikä johtui valuma-alueiden pohjoista monipuolisemmasta maankäytöstä (maatalous, asutus) ja orgaanisen aineen hajoamiselle suotuisemmista olosuh-teista. Valuma-alueen kallioperä ja maaperä vaikuttivat järvien epäorgaanisen hiilen pitoisuuksiin. Asutuilla alueilla maanviljelys lisää järvien epäorgaanisen hiilen pitoisuuksia, sillä maanviljelys on myös tyypillisesti keskittynyt hienojakoisille maille, joissa rapautuminen on nopeampaa.
Tämän tutkimuksen tulosten perusteella järvien rehevöityminen lisää järvien luontaisia hiilidioksidi- ja metaanipäästöjä. Orgaanisen aineen hajotus tehostuu, kun ravinteita on riittävästi saatavilla ja lisäksi rehevät järvet tuottavat runsaasti helposti hajoavaa orgaanista ainetta. Rehevimmät järvet ovat usein pieniä ja matalia, mikä tehostaa myös pohjalietteestä vapautuvien kaasujen pääsyä ilmakehään. Maatalousalueilla sijaitsevat järvet ovat usein keskimääräistä rehevämpiä pelloilta huuhtoutuvien ravinteiden vuoksi. Verrattaessa hiilen prosessointia erikokoisissa järvissä havaittiin, että orgaanisen aineen hajotus ja sedimentaatio olivat tehokkaimmillaan pienissä järvissä. Hiilidioksidi ja metaanipäästöt järvistä sekä hiilen pysyvä va-rastoituminen järvisedimenttiin olivat pinta-alaan suhteutettuina suurimpia pienissä järvissä. Pienten järvien kokonaispinta-ala Suomessa on kuitenkin suuriin järviin verrattuna pieni, joten kokonaispäästöiksi ja varastoiksi laskettuina myös suuret järvet ovat tärkeitä valuma-alueiden hiilenkierrossa.
Eri vuodenaikoina järvien hiilidioksidi ja metaanipitoisuuksien säätelyssä havaittiin eroja. Syksyisin, kun sademäärät usein ovat suuria ja valuma-alueelta veden mukana kulkeutuvia aineita on järvissä paljon, sekä järven sisäisissä prosesseissa syntyvillä että valuma-alueelta kulkeutuvilla hiilidioksidilla ja metaanilla oli merkitystä järvien pitoisuuksiin. Talvella, kun järven ulkopuolelta tuleva kuormitus on pieni, järven oman hajotustoiminnan tuloksena syn-tyvien kaasujen määrä oli ratkaiseva. Vuosittaisen sademäärän ja järvien vuosittaisten hiilidi-oksidipäästöjen väliltä löydettiin voimakas riippuvuus, joka todennäköisesti johtui siitä, että sateisina vuosina valuma-alueilta huuhtoutui järviin enemmän orgaanista ainetta. Tämä tulos viittaa siihen, että jos sademäärä kasvaa ilmastonmuutoksen myötä, myös luonnon lähteistä tulevat hiilidioksidipäästöt kasvavat.
Järvisedimetteihin viime jääkauden jälkeen Suomessa varastoitunut hiilimäärän arvioitiin olevan 0.62 Pg, joka on kolmanneksi suurin luonnon hiilivarasto Suomessa soiden ja metsämaiden jälkeen. Suomen järvien vuotuiset hiilidioksidipäästöt arvioitiin 1400 Gg suuruisiksi
