Tag: sediment

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

In the field under the midnight sun

by Lilia Orozco and Ana Dauner

(Lilia explains) Paleoecologists collect a sediment core and may start working on the material right away. However, in order to look into the past, it is often useful to look at the present as well. That is the case for our project, where we use data collected from the current lake and catchment as a reference when inferring past conditions. Past summer, our project took us to the research station in Värriö strict nature reserve, eastern Finnish Lapland, where we have an ongoing monitoring program for isotopic composition of precipitation and lake water. In this blogpost, we will tell you about our field experience.

Arrival to the research station was an adventure of its own! Neither of us had a European driver’s license, so we had to carry our equipment in public transportation. This meant 12 hours in the train, an hour and a half in a bus, two hours in a taxi, and 20 minutes on a quad bike, to reach our destination.

(Ana continues) When we first arrived, the immensity and homogeneity of the landscape formed my first impression. At first sight, all I could see was this huge Scots pine (Pinus sylvestris) forest. And I thought: “Um, okay, beautiful, but nothing special”. When we later started to collect samples, I realized how wrong I was! Every lake was located inside a very steep valley – around 40 meters downhill in a 100-meter distance. In addition to the impressive view provided by the steep cliffs, every turn gave a different color explosion.

(Lilia) During the week we stayed in Värriö, we collected water samples from nearby lakes and surface sediment samples from our study site, Lake Kuutsjärvi. Because our visit was in the beginning of the summer, we were joined by the midnight sun. Both Ana and I were born and raised in tropical countries, Mexico and Brazil, respectively, and we got to experience endless summer days for the first time. The nature reserve houses beautiful forests with gigantic old pine trees.

(Ana) Speaking about the sampling campaign itself, it could not have been better! The weather was nice for the whole week, so we did not have to struggle maneuvering with equipment in the rain. The water samples were very easy to collect with the Limnos sampler. The sediment samples took a bit more effort. The HTH sediment sampler did not perforate the lake bottom every time. And perhaps, I can complain a bit about the weather anyway: although the sun was always shining, it was a bit windy, especially in the afternoons. Our boat drifted between sampling attempts, and we had to row to the correct position before each new attempt. A little more work, but the effort paid off and we were able to collect all the samples!

(Lilia) One of the great perks of field work is the possibility to enjoy nature while sampling. We were lucky to have some the extra time to explore the forest around the research station. It was fascinating to see the transition from boreal forest to mountain birch (Betula pubescens subsp. czerepanovii) forest, and finally to subarctic tundra at the top of the fells nearby. The landscape was very beautiful!

(Ana) I also paid attention to the clear change in vegetation towards the felltops. Instead of a dense pack of pine trees, we could only see some sparsely distributed trees, most of them twisted and adapted to the harsh climate. Dwarf-shurbs, such as crowberry (Empetrum nigrum) and blueberry (Vaccinium myrtillus) blanketed the land surface. Unfortunately, it was the beginning of the summer so, no berries for us! But the view was, again, worth the walk. Another interesting and peculiar novelty for me was the “sea of rocks”, more appropriately termed a blockfield or “rakka” in Finnish! On the two hills we climbed, we could see large patches of broken rocks. Almost if a truck had simply deposited them there. Later I learned that the blockfields were produced locally, due to below-surface frost weathering.

(Lilia) Värriö research station is part of our University’s Institute for Atmospheric and Earth System Research (INAR). Professor Mikko Sipilä and researchers Kimmo Neitola and Jukka Kärki along with the staff at the research station hosted us, were very helpful, and kept us out of trouble. The nature reserve hosts wildlife such as bears and wolverines, and has some scarp cliffs, but thanks to their advice, our sampling was a success and we were never in any danger.

(Ana) We also had a chance to visit the SMEAR I (Station for Measuring Ecosystem-Atmosphere relations) atmospheric measurement base in Värriö. It was wonderful to know how the station tracks and measures not only weather, but also aerosols and trace gases.

Altogether, it was a great experience and we hope we get to visit again.

Lilia is a PhD student who took a dip into the cold waters of Lake Kuutsjärvi. Ana is a postdoctoral researcher who loves taking pictures of the landscape.

To see more photos from Värriö Subarctic research station, visit their nature diary.

Posted on

Brief overview of current projects

Beyond the shore: sea-ice change and lake ecosystems in the Arctic (SLEET)

The land and the sea are quintessentially tied together via the global hydrological cycle and atmospheric circulation patterns, yet significant disconnect persists in both research and management of land and marine ecosystems. Future intensification of the hydrological cycle in the Arctic and the increased interaction of the sea surface with the atmosphere will further enhance ecosystem interaction across the land-sea boundaries. The overarching objective of this project is to develop an understanding of the natural, long-term coupling of arctic sea-ice cover and lake ecosystem functioning on adjacent land in complementary spatial scales. The project will explore the atmospheric mechanism of this link by reconstructing moisture balance trends and probing their linkages to the quantity and quality of production. (Academy of Finland 2020-2024)

Arctic sea-ice proxies: from seasonal processes to improved reconstructions

Sea-ice decline is one of the most striking consequences of recent climate-driven changes in the Arctic. The short observational time series and current climate models are inadequate in explaining the natural variation and foreseeing responses of arctic marine ecosystems, highlighting the urgent need to exploit natural archives (proxies). Protists abundantly stored in the seafloor of the Arctic Ocean are widely applied proxies for past sea-ice reconstruction, notwithstanding that little is known of their relationships to the ice ecosystem. This project will investigate seasonal processes that result in the formation of proxy archives and apply this knowledge in ecosystem modelling and reconstruction of pre-anthropogenic sea-ice conditions. The results will improve our understanding of the seasonal behaviour of arctic marine ecosystems in the long term. (Academy of Finland 2016-2022)

CAPTURE Consortium Work Package 3: Past and present lake carbon dynamics

The Arctic environment is undergoing marked changes in climate conditions and terrestrial feedbacks that are prone to investigation under the multidisciplinary framework of CAPTURE. The interactions among climate, C and Arctic ecosystems are complex, and there are substantial risks of unexpected feedbacks and rapid transformations. One of the main originalities of the CAPTURE consortium is assessing the C processes in the Arctic across spatial and temporal scales, in order to advance our understanding of C dynamics, climate variability and the risks of unwelcome C-cycle feedbacks.

WP3 investigates the quantity and quality of lake C in present conditions and over the major climatic fluctuations of the late Holocene. In collaboration with WPs 1, 2, and 4, WP3 will assess the lateral C flow between terrestrial and aquatic ecosystems. C quality will be of special interest, since parsing contributions of C sources are essential to understanding lake aquatic C cycling and burial efficiency WP3 focuses on lake sediment records for three principal reasons. First, while many long-term records signify the role of lake
sediments as global C sink, they consider average C accumulation over long time periods and are hence not adequate for observing responses of C burial to rapid climate changes. Second, the role of changing C sources over past climate intervals and the long-term persistence of C sink are largely unknown. Third, most studies focus on temperate and boreal lakes, while contrasting controls of C cycling are at play in the Arctic. (Academy of Finland 2016-2020)

Author: Maija Heikkilä