Biogeochemical cycling and retention of Fe in boreal lakes

Abstract

An observed trend of increasing iron (Fe) concentrations in boreal freshwaters has been attributed to changes in the biogeochemical cycling of Fe. To better understand the drivers behind this trend, as well as any potential negative impacts on ecosystems, the biogeochemical cycling of Fe in a lake in south eastern Norway was studied between May and September 2021.

The study lake Vindlandstjernet is a small and shallow lake located upstream from its much larger recipient Lake Øyeren. Increased Fe concentrations have previously been reported in the study lake’s catchment area, so it was of interest to investigate whether the lake acts as a sink or a source of Fe. The objectives of this study were therefore to (1) examine the seasonal variations of Fe in a boreal lake at different depths, to (2) examine the retention and cycling of Fe in a boreal lake under different runoff and stratification conditions, and to (3) examine potential effects of increased Fe concentrations on aquatic fauna. Further, it was hypothesised that (i) thermal stratification affects the distribution and cycling of Fe in the water column of the lake, and that (ii) the lake is a source of Fe during high flow.

The weather prior to and during the study period were characterised as warm and dry. During early spring, the lake’s catchment area received very little precipitation compared to normal, which would have led to reduced runoff. The catchment received more precipitation than normal in May, where Fe concentrations saw an upwards trend along with dissolved organic carbon (DOC) and Fe (oxy)hydroxide associated parameters. The lake was thermally stratified in June and July resulting in hypoxic and anoxic conditions in the hypolimnion. Thermal stratification and reducing conditions led to the remobilisation of Fe to the water column and the accumulation of several water parameters at the bottom layer of the lake. A heavy rainfall event at the end of July diluted most parameters, including Fe. By mid-August, the lake had experienced some circulation, likely encouraged by the heavy rainfall event, with increased particulate Fe concentrations evenly distributed in the water column.

The results from this study confirm the first hypothesis that thermal stratification affects the distribution and cycling of Fe in the water column. Further, the results indicate that the lake acts as a Fe sink in the catchment, but more data on the total Fe budget of the lake would be needed to reject the second hypothesis. It is not clear how much the lake contributed as a Fe source to its outlet stream during high flow due to significant Fe mobilisation nearby in the catchment.

En økende trend i jernkonsentrasjoner i boreale vassdrag har blitt sett på i sammenheng med endringer i den biogeokjemiske syklusen til jern. For å bedre kunne forstå driverne bak denne trenden, samt eventuelle negative konsekvenser for økosystemer, så har den biogeokjemiske omsetningen og tilbakeholdelsen av jern i en innsjø på Sør-Østlandet i Norge blitt undersøkt mellom mai og september 2021. Studieområdet er Vindlandstjernet, en liten og grunn innsjø som ligger oppstrøms Øyeren. Tidligere undersøkelser har rapportert om økte jernkonsentrasjoner i innsjøens vassdrag, så det var av interesse å undersøke om innsjøen lagrer eller eksporterer jern. Målet med dette prosjektet var derfor å (1) undersøke sesongvariasjoner i jern ved ulike dyp i en boreal innsjø, å (2) undersøke tilbakeholdelse og omsetning av jern under ulike sjiktnings- og avrenningsforhold, og å (3) undersøke potensielle effekter av økte jernkonsentrasjoner på ferskvannsfauna. Videre ble det predikert at (i) temperatursjiktninger påvirker fordelingen og omsetningen til jern i vannsøylen, og at (ii) innsjøen er en jernkilde under høye avrenningsforhold. Været før og under studieperioden var varmt og tørt. Innsjøens nedbørsfelt hadde svært lite nedbør i forhold til normalverdien, som sannsynligvis ga mindre avrenning. I mai hadde nedbørsfeltet mer nedbør enn vanlig, hvor jernkonsentrasjonen i innsjøen hadde en økende trend sammen med parametere tilknyttet løst organisk karbon (DOC) og jernhydroksid. Innsjøen var sjiktet i juni og juli som ga lave konsentrasjoner av oksygen i bunnvannet. Temperatursjiktning og reduserende forhold førte til en remobilisering av jern til vannsøylen og en akkumulering av flere vannparametere i bunnvannet. Kraftig nedbør i slutten av juli tynnet ut nesten alle parameterne, inkludert jern. I løpet av august hadde innsjøen gått gjennom en sirkulasjon som følge av kraftig nedbør, med økte partikulære jernkonsentrasjoner jevnt fordelt i vannsøylen. Resultatene fra dette prosjektet bekrefter den første prediksjonen om at temperatursjiktninger påvirker fordelingen og omsetningen til jern i vannsøylen. Videre tyder resultatene på at innsjøen generelt lagrer jern, men mer data er nødvendig for å kunne avkrefte den andre prediksjonen. Det er fremdeles uklart hvorvidt innsjøen eksporterte jern til utløpsbekken ved høy avrenning, da det finnes flere potensielle kilder.