Yliopiston etusivulle Suomeksi På svenska In English Helsingin yliopisto

Factors controlling carbon gas fluxes in boreal lakes

Show full item record

Files in this item

Files Description Size Format View/Open
factorsc.pdf 853.2Kb PDF View/Open
Use this URL to link or cite this item: http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-10-7980-1
Vie RefWorksiin
Title: Factors controlling carbon gas fluxes in boreal lakes
Author: Linnaluoma, Jessica
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Biological and Environmental Sciences, Department of Environmental Sciences, Environmental SciencesUniversity of Helsinki, Lammi Biological Station
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Despite their small surface area on Earth, freshwater ecosystems have recently been recognized as important components of the global carbon budget. The external loading of terrestrial organic carbon enhances the net heterotrophy in lake ecosystems, leading to CO2 supersaturation in most of the world s lakes, and lacustrine water bodies are therefore clear sources of carbon to the atmosphere.

The present study provides information on carbon gas (CO2 and CH4) concentrations and fluxes from three large dimictic lakes in southern Finland with contrasting water quality: Lake Pääjärvi (a humic lake), Lake Ormajärvi (a clear-water lake) and the Enonselkä basin in Lake Vesijärvi (an urban clear-water lake basin). The lakes were intensively sampled throughout the open-water period for general limnology as well as for biology to determine the processes behind the gas fluxes. Greenhouse gases determinations were based on surface water concentrations and gas accumulation in floating closed chambers. Fluxes were analysed at different times of the year, during the stratification period (summer) and mixing periods (spring and autumn). The gas transfer velocities (k600) of CO2 and CH4 were related to wind speed during the mixing periods. The study years contrasted each other, i.e. the summer of 2004 was rainy, whereas the summer of 2005 was warm with precipitation close to the long-term average, allowing a comparison of the lake response to different weather conditions.

In this study, the greatest carbon gas evasions from the lake surfaces were measured during the spring and autumn mixing periods. The wind speed had a stronger effect on the gas transfer velocity (k600) of CO2 and CH4 in spring than in the autumn. However, there was distinctive gas exchange variability during the summer after rain events. In the humic Lake Pääjärvi, the high precipitation resulted in a large peak in CO2 and CH4 fluxes, which contributed 46% and 48% to the annual fluxes of CO2 and CH4, respectively. In the clear-water Lake Ormajärvi, the contribution of the rainy period to carbon gas fluxes was 39% and 37% for CH4 and CO2, respectively. The response of the clear-water lake to the high precipitation was not as immediate as in the humic lake, but the outcome was more radical, since before the rainy period the lake took up more carbon than was released to the atmosphere, but as a consequence of the rains the situation was reversed. The urban lake basin, with anoxic hypolimnion, was a source of CO2 and CH4 even though the oxidation of CH4 in the water column was intensive during the stratification period.

A clear association between biological mineralization processes and carbon fluxes was observed in the humic lake, contrary to the clear-water lake. In the humic lake, CO2 was equally produced and released during the open-water period, except during the summer flux peak after the rainy period, whereas in the clear-water lake there was an excess of CO2 production. Precipitation generated variability in epilimnetic and metalimnetic concentrations of carbon gases and DOC at the time when the lakes showed their strongest stability. Moreover, changes in biological processes were only observed at the surface, which indicates that the excess of CO2 and CH4 were flushed into the lake from the surrounding terrestrial soil or the littoral area.

The summer precipitation clearly increased the carbon emissions to the atmosphere, since when omitting the summer flux peaks in the humic and the clear-water lake, the CO2 fluxes were closer to those measured in the urban lake basin during the summer of average precipitation, and close to average fluxes measured in large Finnish lakes. However, CH4 fluxes were always higher in the urban lake basin, indicating the long history of eutrophication and anoxia. The importance of the lakes in recycling terrestrial carbon was expressed by comparing the lake fluxes with the net ecosystem exchange (NEE) of the forested and peatland catchment areas. The carbon gas (CO2 and CH4) flux from humic Lake Pääjärvi was 4%, that from clear-water Lake Ormajärvi 2% and from Enonselkä basin 7% of the terrestrial NEE of the whole catchment area, demonstrating that lakes also release carbon produced in their catchment areas.

Estimates of the global warming potential (GWP) of greenhouse gas emissions from the studied boreal lakes indicated that the contribution of CH4 to the carbon fluxes was higher in the urban lake basin (33%), followed by the clear-water lake (13%) and the humic lake (7%). Thus, the lacustrine GWP is influenced by human activity. Human-induced nutrient loading into lakes enhances autochthonous production and the decomposition of organic matter, which may generate large emissions of CH4, as was seen in the urban study lake.Tässä työssä tarkasteltiin kahden tärkeimmän kasvihuonekaasun eli hiilidioksidin (CO2) ja metaanin (CH4) pitoisuuksia ja ilmakehän ja pintaveden välisiä kaasuvoita sekä kaasunvaihdon takana olevia tekijöitä kolmessa eteläsuomalaisessa suurehkossa järvessä. Tutkimusjärvet olivat ruskeavetinen Pääjärvi ja kirkasvetinen Ormajärvi, jotka molemmat sijaitsevat Hämeenlinnan Lammilla maalaisympäristössä, sekä voimakkaan kaupunkivaikutuksen alainen Enonselkä Lahden Vesijärvessä. Kaasunvaihdon takana mahdollisesti olevista tekijöistä tutkittiin varsinkin biologista hiilen sitomista eli perustuotantoa sekä hiilen mineralisaatiota eli hajoamisprosesseja. Tutkimukset ajoittuivat sekä kevään ja syksyn täyskiertoihin että kesän kerrostuneisuuteen ja kattoivat näin ollen avovesikauden. Koska tutkimusvuodet 2004 ja 2005 poikkesivat sääoloiltaan selvästi toisistaan, päästiin myös vertaamaan sääilmiöiden, varsinkin kesäisten sateisuusjaksojen, vaikutusta järven ja ilmakehän väliseen kaasunvaihtoon ja sen takana oleviin prosesseihin.

Tutkimustulokset osoittivat, että kasvihuonekaasujen vuot järvistä ilmakehään olivat suurimmillaan kevään ja syksyn täyskiertojen aikaan. Tuulen merkitys kaasunvaihdolle oli suurempi keväällä kuin syksyllä. Sateisuuden seurauksena järven kesäaikaiset kaasuvuot kasvoivat. Pääjärvessä kesäsateisuuden kaksinkertaistumisen seurauksena sekä hiilidioksidin että metaanin vuossa havaittiin maksimi, joka vastasi puolta järven vuotuisesta kaasunvaihdosta. Ormajärvessä vastaava osuus oli 40 %. Ormajärven vaste sateisuuden kasvuun ei ollut yhtä välitön kuin Pääjärven, mutta sateisuuden seurauksena Ormajärvi muuttui hiilidioksidin pienestä nielusta sen selväksi lähteeksi. Enonselkä, jossa kesällä kerrostuneisuuden aikaan alusvesi on säännöllisesti ollut hapeton, vapautti koko avovesikauden ajan hiilidioksidia. Myös metaania vapautui jatkuvasti siitäkin huolimatta, että valtaosa pohjan anaerobisissa oloissa tuotetusta metaanista hapettui vesipatsaassa biologisesti.

Sateisuus selvästi lisäsi kasvihuonekaasujen vuota ilmakehään, sillä jättämällä sateiden jälkeiset suuret vuot huomioimatta päädyttiin avovesikauden kokonaisvuoarvioissa lukemiin, jotka olivat yhteneviä Enonselällä sademäärältään normaalina vuonna arvioitujen voiden kanssa. Näin saadut arviot olivat myös lähellä Suomen suurten järvien keskimääräisiä kaasuvoita. Kaiken kaikkiaan metaanivuot olivat kuitenkin aina suurimmat Lahden Vesijärvessä, jolla on pitkä, happiongelmiin johtanut rehevöitymishistoria. Kun laskemissa huomioitiin hiilidioksidin ja metaanin erilainen kasvihuonekaasuvaikutus metaani on hiilidioksidia noin 25 kertaa pahempi kasvihuonekaasu - päädyttiin tuloksiin, joiden mukaan Enonselällä metaanin osuus ns. globaalista lämmityspotentiaalista oli 33 %. Vastaavat luvut Ormajärvelle ja Pääjärvelle olivat 13 % ja 7 %. Ihmistoiminnan seurauksena järviin päätyy ravinteita, minkä seurauksena tuotanto ja sitä seuraava hajotustoiminta kiihtyvät. Lopputuloksena saattaa siis olla Enonselällä havaitun kaltaisesti kasvaneita metaanivoita.

Biologisten hajotusprosessien yhteys kasvihuonekaasuvoihin oli selvempi Pääjärvessä kuin Ormajärvessä. Pääjärvessä hiilidioksidin nettotuotto oli riittävä selittämään kaasuvuon muulloin kuin sateiden jälkeen, kun taas Ormajärvessä hiilidioksidia tuotettiin säännöllisesti enemmän kuin ilmakehään päätyi. Sateiden seurauksena päällysveden liuenneen orgaanisen hiilen ja kasvihuonekaasujen pitoisuudet kasvoivat tilanteessa, jossa järvet olivat vielä selvästi kerrostuneita. Nämä havainnot yhdessä pintavedessä todettujen biologisten prosessien muutosten kanssa osoittivat, että sekä osa orgaanisesta hiilestä että kasvihuonekaasuista oli suoraan peräisin ympäröiviltä tulvittuneilta maa-alueilta tai matalilta ranta-alueilta.

Järvet olivat siis tehokkaita niin maaekosysteemeistä peräisin olevan hiilen kuljetuksessa kuin sen prosessoinnissakin niin, että osa hiilestä lopulta päätyi takaisin ilmakehään. Ilmastonmuutoksen seurauksena Pohjois-Euroopan syksyt oletettavasti pitenevät ja lämpenevät, jolloin hiilen huuhtoumat tullevat kasvamaan. Myös tuulisuuden ja sateisiin liittyvien ääri-ilmiöiden odotetaan lisääntyvän. Näin ollen havumetsävyöhykkeen järvien kasvihuonekaasuvuot tulevat kohoamaan, ja järvien merkitys maaekosysteemeissä sidotun hiilen reittinä takaisin ilmakehään kasvaa.
URI: URN:ISBN:978-952-10-7980-1
http://hdl.handle.net/10138/33537
Date: 2012-06-08
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
This item appears in the following Collection(s)

Show full item record

Search Helda


Advanced Search

Browse

My Account