Tag: arctic lake

Posted on

Järvet osana hiilen kiertokulkua

Iiris Lahin

Järvillä on merkittävä rooli globaalissa hiilenkierrossa. Maapallon pohjoisilla alueilla on määrällisesti ja pinta-alallisesti paljon järviä, minkä vuoksi järvien rooli hiilen kierrossa on merkittävä. Järvet myös varastoivat valuma-alueelta huuhtoutuvaa hiiltä, jonka määrän on ennustettu lisääntyvän ilmastonmuutoksen ja ikiroudan sulamisen myötä.

Järvet voivat sitoa hiiltä ja varastoida sitä pohjaan kerrostuvaan sedimenttiin tuhansiksi vuosiksi tai vastaavasti vapauttaa hiiltä takaisin ilmakehän lyhyeen hiilenkiertoon. Lyhyellä aikavälillä järvet ovat yleensä hiilen lähteitä (Holmberg ym. 2021). Pitkällä aikavälillä järvet toimivat kuitenkin hiilivarastoina, koska pohjasedimentin varasto on yleensä tuhansia vuosia vanha. Suomessa järvet ja suot syntyivät jääkauden jälkeen noin kymmenentuhatta vuotta sitten, ja ne ovatkin moninkertaisesti suurempia hiilivarastoja verrattuna kasvillisuuteen ja maaperään (Kortelainen ym. 2004).

Kaikki eloperäinen aines sisältää orgaanista hiiltä. Hiiltä kulkeutuu järviin pintavalunnan ja maanalaisen valunnan mukana. Tällaista valuma-alueelta valunnan mukana kulkeutuvaa hiiltä kutsutaan alloktoniseksi hiileksi. Valuma-alueen koko ja laatu vaikuttavat siihen, kuinka paljon alloktonista hiiltä kertyy järveen ja minkälaista kerrostuva hiili on. Turvevaltaisilta valuma-alueilta kertyy järviin paljon humusaineita ja orgaanista ainesta. Erityisesti ojitetuilta suoalueilta järviin kulkeutuu paljon orgaanista ainesta, ja tämä vaikuttaa suuresti järven pohjasedimenttiin kertyvän hiilen määrään.

Järven sisällä muodostuvaa hiiltä kutsutaan autoktoniseksi hiileksi. Autoktoninen hiili on pääasiassa peräisin vedessä ja järven pohjassa elävien mikroskooppisten levien perustuotannosta. Usein rehevissä järvissä, joissa perustuotanto on suurta, on enemmän autoktonista alkuperää olevaa hiiltä. Eliöiden kuoltua hajottajat hajottavat usein valtaosan biomassasta, mutta osa siitä varastoituu pohjasedimenttiin. Jonkin verran hiiltä liukenee veteen myös ilmasta. Ilmakehässä hiili esiintyy hiilidioksidina, joka on ilmastoa lämmittävä kasvihuonekaasu. Järven varastoidessa orgaanista ainesta pohjasedimenttiin hiili poistuu lyhyestä hiilenkierrosta, jolloin järvi voi toimia pitkällä aikavälillä hiilinieluna.

Jääkauden jälkeiset maankamaran, maanpeitteen ja ilmasto-olojen muutokset ovat vaikuttaneet järviin varastoituneen hiilen määrään ja laatuun. Nykypäivänä kuitenkin arvellaan ihmisen toiminnan olevan suurin järvien hiilen kiertoon vaikuttava tekijä. Ihmisen maankäytön muutokset ja tehostuminen muokkaavat järvien valuma-alueita ja vaikuttavat hiilen kiertoon. Erityisesti soiden ojituksilla ja metsien avohakkuilla on vaikutusta kertyvän orgaanisen aineksen määriin. Kasvillisuuden poistaminen altistaa maaperän eroosiolle, joka osaltaan kiihdyttää maa-aineksen huuhtoutumista vesistöihin. Soiden ojituksilla on samanlainen orgaanisen aineksen huuhtoutumista edistävä vaikutus. Rankkasateet lisäävät tätä huuhtoumaa. Ilmaston muuttuessa ja sateiden lisääntyessä vaikutukset tulevat entistä voimakkaammiksi.

Järvien läheisyydessä harjoitetulla maataloudella on niin ikään vaikutuksia hiilen hautautumiseen. Maanmuokkaus ja karjan laidunnus altistavat maan eroosiolle lisäten maa-aineksen kulkeutumista järviin. Lannoitteiden käyttö viljelyssä vaikuttaa myös osaltaan akkumuloituvaan hiileen. On löydetty viitteitä siihen, että erityisesti kasvavat typen pitoisuudet ovat yhteydessä lisääntyneisiin hiilen määriin järvien pohjasedimenteissä (Kortelainen ym. 2013).

Arktisten alueiden järvien hiilidynamiikasta tarvitaankin enemmän tutkimustietoa.

Hiilen varastoitumisnopeuksien on arvioitu moninkertaistuneen viimeisen parin vuosisadan aikana laukean ja havumetsävyöhykkeen järvissä (Anderson ym. 2013). Teollistumisen jälkeen ihmisen toiminta on tehostunut ja käynyt yhä intensiivisemmäksi. Tämä näkyy pohjasedimenteissä nousseina hiilen määrinä. Sen sijaan arktisten alueiden järvien hiilivarastoista tiedetään vähemmän.

Arktisella alueella on melko alhainen perustuotanto verrattuna muiden ilmastovyöhykkeiden järviin, ja valuma-alueen vähäisen kasvillisuuden ja ikiroudan vuoksi myös valuma-alueelta tulevan hiilen määrä voi olla vähäinen. Sekä alloktonisen että autoktonisen hiilen määrät ovat siis yleensä alhaisempia kuin muualla. Ilmaston lämmetessä tämä voi kuitenkin muuttua. Ikiroudan sulaessa valunta voi voimistua, jolloin myös järviin päätyy enemmän orgaanista ainesta. Lämpötilan nousu ja jääpeiteaikojen lyheneminen voivat kiihdyttää edelleen järvien perustuotantoa. Myös huuhtoutuneiden ravinteiden määrä voi vaikuttaa näin, mutta järven ruskettuminen ja sameutuminen myös rajoittavat valon määrää ja siten perustuotantoa. Arktisilla alueilla on hyvin paljon pieniä järviä, ja näiden järvien rooli hiilen kierrossa voi tulevaisuudessa korostua. Arktisten alueiden järvien hiilidynamiikasta tarvitaankin enemmän tutkimustietoa.

Järvillä on suuri potentiaali varastoida hiiltä pitkiksi ajoiksi, sillä uutta pohjasedimenttiä muodostuu jatkuvasti vanhan päälle. Etenkin ihmisen toiminnasta aiheutuvat maanpeitteen muutokset sekä ilmaston lämpeneminen voivat kuitenkin muuttaa hiilen kierron prosesseja, ja vaikuttaa siihen toimivatko järvet hiilen nieluina vai lähteinä.

Iiris valmistuu ympäristötieteiden kandidaatiksi loppuvuonna 2023. Hänen kandidaatintutkielmansa käsitteli järvien roolia hiilen kierrossa. Iiristä on aina kiinnostanut pinnan alainen elämä, minkä vuoksi hän päätyi akvaattisten tieteiden opintojen pariin.

Viitteet:

Anderson N. J., Dietz R. D. & Engstrom D. R. 2013. Land-use change, not climate, controls organic carbon burial in lakes. Proc. R. Soc. B. 2802013127820131278 http://doi.org/10.1098/rspb.2013.1278

Holmberg, M. et al. 2021. Sources and sinks of greenhouse gases in the landscape: Approach for spatially explicit estimates. Science of The Total Environment 781, 146668. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.146668

Kortelainen, P., Pajunen, H., Rantakari, M. & Saarnisto, M. 2004. A large carbon pool and small sink in boreal Holocene lake sediments, Global Change Biology 10, 1648–1653. https://doi.org/10.1111/j.1365-2486.2004.00848.x

Kortelainen, P., Rantakari, M., Pajunen, H., Huttunen, J. T., Mattsson, T., Juutinen, S., Larmola, T., Alm, J., Silvola, J., and Martikainen, P. J. (2013), Carbon evasion/accumulation ratio in boreal lakes is linked to nitrogen, Global Biogeochemical Cycles, 27, 363–374. doi:10.1002/gbc.20036.

Järvitutkimuksia

Tutkimusryhmämme tutkii tällä hetkellä pohjoisten järvien merkitystä hiilen varastoina ilmaston muuttuessa. Kysymme esimerkiksi: miten lisääntyvät sateet, sulaminen ja lämpeneminen yhdistävät arktisia järviä ja niiden valuma-alueita? Millainen oli järvien hiilidynamiikka ja lajikirjo menneinä lämpiminä kausina? Käytämme tutkimuksessa järvien pohjaan kerrostuneita sedimenttiarkistoja ja nyky-ympäristön seurantaa.

Suomen Akatemian rahoittamassa projektissa ”Rannan tuolla puolen: menneisyyden merijääpeite ja järviekosysteemit Arktiksella” (2020-2024) tutkitaan arktisen luonnonjärjestelmän osien yhteistoimintaa, ja erityisesti katoavan merijään vaikutuksia kosteusilmastoon ja edelleen pohjoisiin järviin ja niiden valuma-alueisiin.

Suomen kulttuurirahaston (2023-2025) rahoittamassa hankkeessa tutkimme hiilenkierron ja ilmaston vaikutusta järvien lajikirjoon holoseenikaudella ja Kilpisjärven biologisen aseman vesiekosysteemiaseman avulla keräämme tietoa vuodenaikaisista tuottavuuden ja hiilen kerrostumisen vaihteluista.

Uusimmassa Suomen Akatemian rahoittamassa hankkeessa ”Ruskettuvat järvet vihertyvällä Arktiksella” (2023-2027) tutkitaan arktisen vihertymisen eli kasvillisuuden tuottavuuden ja biomassan kasvun vaikutuksia järviin valuvaan hiilikuormaan ja järviekosysteemin toimintaan.

Posted on

What is happening to arctic lakes and why should we care?

by Mingzhen Zhang

Arctic temperatures are warming more than twice as fast as the global average [1, 2], causing permafrost thaw, loss of ice and snow cover on land and over the sea. Moreover, feedbacks from these changes aggravate global warming; the phenomenon is termed Arctic amplification. These changes attract increasing public attention, which is centered at the shrinking ice-cover over the ocean, the melting ice sheets and glaciers and thawing permafrost. Increasing research interest, however, is devoted to studying arctic lakes, which make up 25% of the world’s laketotal and cover up to 50% of the Arctic terrestrial landscape [3, 4]. For the public, the nature and importance of arctic lakes has remained vague. In this post I will try to elucidate some facts based on my own experiences.

Arctic lakes make up 25% of the world’s lakes and cover up to 50% of the arctic terrestrial landscape

  1. The uniqueness of arctic lakes

Before I planned to move to Finland for my doctoral research, “arctic lakes” were just two simple words for me. I only knew that these lakes were within the Arctic Circle. (Now I also know that anything northwards the Arctic Circle is only one definition of “arctic”.) Although I had some research experience on eutrophic Chinese lakes from my Master’s program, I felt unfamiliar with arctic lakes, which are significantly different from urban lakes I investigated previously. First, in terms of physical and chemical characteristics, urban lakes usually keep relatively stable states over the year, occasionally fluctuating with extreme weather events. In contrast, due to the pronounced climate, changing snow and ice cover, and differences in size, elevation, morphometry and ways of formation, arctic lakes experience a range of seasonal fluctuations in temperature, light availability and water quality [3]. Second, considering biological communities and production, urban lakes have higher species diversity involving all kinds of bacteria, phytoplankton, zooplankton, benthic species, fish and macrophytes, together with overall high primary productivity (dense algal blooms), compared to arctic lakes which are generally characterized by few species and low productivity [5]. The above-mentioned general characteristics of arctic lakes usually refer to lakes with clear water. However, arctic lake scenery is highly variable (Fig. 1). There are thermokarst lakes formed due to local permafrost degradation, and meltwater lakes, receiving glacial runoff with large amounts of suspended silt, and their water properties are very different from the clear-water lakes. Majority of the dozens of different ways for lake formation are presented in the Arctic, giving rise to the unique and diverse properties of arctic lakes, many of which remain unstudied. Arctic freshwater ecosystems provide services for arctic people and fauna. They are also important for global biodiversity, energy balance and carbon budget, all of which are rapidly changing due to climate warming.

Figure 1. A variety of lakes in northernmost Finland. (a) Lake Saanajärvi at the altitude of 679 meters. (b) A lake surrounded by mountain birch forest at the altitude of 553 m. (c) Lake Kilpisjärvi at the altitude of 473 m. (d) An arctic lake without the official name at the altitude of 1009 m. (e) Lake Jeahkatslampi at the altitude of 930 m. (f) Lake Bahtasgohpejavri at the altitude of 776 m. Photos courtesy of Jan Weckström (a, c, d, e) and  Maija Heikkilä (b, f), Environmental Change Research Unit.

2. The impact of climate change on arctic lakes

Climate change has a multitude of direct and indirect effects on arctic lake ecosystems. Changes in air temperatures, wind and precipitation patterns affect the structure, function and biodiversity of lakes, but so do changes in freshwater, nutrient and sediment inputs from lake catchment areas. First, continuously increasing air temperatures induce increasing lake water temperatures, which can change the thermal regimes of lakes, such as variation in mixing and stratification patterns. Consequently, many biogeochemical and biological processes and species composition of the lakes are affected [6]. Second, glacier retreat and permafrost thaw lead to more nutrients, organic matter and silt flowing into lakes, potentially modifying nutrient and light conditions in the oligotrophic, clear arctic lakes and resulting in higher primary production in summer and emerging new species [3]. In addition, climate change directly affects lake ice cover. One of the earliest observed impacts of climate warming was based on the loss of freshwater ice [7]. Research evidence demonstrates later lake ice-on and earlier ice-off dates, leading to shorter annual durations of ice cover and thus changes in lake ecology [8, 9]. Although there are many factors (e.g., air temperature, wind speed, snow thickness, solar radiation) that can affect ice formation and melt in shallow and deep lakes, air temperature is the key driver [10]. Thus, lake ice phenology can serve as a useful indicator of late autumn and early spring climate change in a regional scale [11]. Additionally, lake ice plays a vital role in socio-economy such as ice roads, transportation, cultural recreation and tourism [12]. Understanding the freeze-thaw cycles of lake ice and their effects on arctic ecosystems including the human, can promote the safety of the region on many levels.

Research evidence demonstrates later ice-on and earlier ice-off dates of arctic lakes

3. Arctic lakes and past climate reconstruction

Human societies have had an increasing influence on global climate over the past centuries. Understanding natural climate changes and ecosystem responses is quintessential in preparing for future. As I mentioned above, arctic lakes are sensible to climate variability. What is more, their bottom mud or sediments, serve as a chronicle of changes over the past millennia. Lake sediments archive variations in biological and physical conditions and provide a unique temporal record of climatic change [13]. Many indicators, such as microfossils (diatoms, chrysophycean cysts, chironomids, cladocerans), biogeochemical markers (elemental and isotopic geochemistry, plant pigments, plant lipids), mineral magnetic analyses, and various sediment indices (the accumulation rates of organic carbon, nutrients, contaminants, etc.) have been developed to analyze the shifts in lake physical, chemical and ecosystem qualities [13, 14]. Therefore, a comprehensive arctic paleoclimate data network, covering various lake types in various settings, is necessary for reliable assessments of past, present and future climate patterns.

Circumpolar regions might seem isolated from the rest of the planet, but in reality, they play an integral role in the global climate system. Furthermore, these regions have been inhabited by arctic peoples for thousands of years [15], and experienced significant environmental transitions due to climate changes and human impacts. Improved understanding of northern nature and lakes and their responses to environmental changes will contribute to the sustainable development of the Arctic. It is a great honor for me to have an opportunity to participate in this research, and I hope to contribute to elevated knowledge of fascinating arctic lakes.

Mingzhen is a doctoral researcher whose research focuses on arctic lakes in northernmost Finland.

Reference

  1. Meredith M, et al. 2019. In: IPCC Special Report on the Ocean and Cryosphere in a Changing Climate. Cambridge University Press, Cambridge, UK and New York, NY, USA, 2019. 203-320. https://doi.org/10.1017/9781009157964.005.
  2. Moon TA, et al. (2021). Arctic Report Card 2021.  https://www.arctic.noaa.gov/Report-Card/Report-Card-2021
  3. Jeppesen E, et al., 2020. Ecology of Arctic Lakes and Ponds. In Thomas, DN (ed): Arctic Ecology, pp. 159-180.  https://doi.org/10.1002/9781118846582.ch7
  4. Muster S, et al., 2017. PeRL: a circum-Arctic permafrost region pond and lake database. Earth System Science Data 9: 317–348. https://doi.org/10.5194/essd-9-317-2017
  5. Christoffersen KS, et al., 2008. Food-web relationships and community structures in high-latitude lakes. In Vincent WF & Laybourn-Parry J (eds): Polar Lakes and Rivers: Limnology of Arctic and Antarctic Aquatic Ecosystems. DOI:10.1093/acprof:oso/9780199213887.003.0015
  6. Arvola L, et al., 2009. The Impact of the Changing Climate on the Thermal Characteristics of Lakes. In George, G (ed.): The Impact of Climate Change on European Lakes, 85-101. DOI: 10.1007/978-90-481-2945-4
  7. Walsh SE, et al., 1998. Global patterns of lake ice phenology and climate: Model simulations and observations. Journal of Geophysical Research: Atmospheres 103(D22): 28825-28837. DOI: 10.1029/98jd02275
  8. Magnuson JJ, et al., 2000. Historical Trends in Lake and River Ice Cover in the Northern Hemisphere. Science 289: 1743-1746. DOI: 10.1126/science.289.5485.1743
  9. Benson BJ, et al., 2012. Extreme events, trends, and variability in Northern Hemisphere lake-ice phenology (1855–2005). Climatic Change 112: 299–323. DOI: 10.1007/s10584-011-0212-8
  10. Kirillin G & Leppäranta M, 2021. Lake Ice Formation and Melt. Under-Ice Dynamics. Reference Module in Earth Systems and Environmental Sciences,
    Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819166-8.00003-7
  11. Hodgkins GA., et al., 2002. Historical changes in lake ice-out dates as indicators of climate change in New England, 1850-2000. International Journal of Climatology 22: 1819-1827. DOI: 10.1002/joc.857
  12. Arp CD, 2019. Ice roads through lake-rich Arctic watersheds: Integrating climate uncertainty and freshwater habitat responses into adaptive management Arctic, Antarctic, and Alpine Research 51, 9-23. https://doi.org/10.1080/15230430.2018.1560839
  13. Korhola A, et al., 2002. A multi-proxy analysis of climate impacts on the recent development of subarctic Lake Saanajärvi in Finnish Lapland. Journal of Paleolimnology 28: 59-77. https://doi.org/10.1023/A:1020371902214
  14. Lehnherr I, et al., 2018. The world’s largest High Arctic lake responds rapidly to climate warming. Nature Communications 9: 1290. https://doi.org/10.1038/s41467-018-03685-z
  15. Kotlyakov VM, et al., (eds.) 2017.  Human Colonization of the Arctic: The Interaction Between Early Migration and the Paleoenvironment. 530 pp. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813532-7.01001-9