Disentangling the effect of physical and chemical factors on phytoplankton dynamics in a highly eutrophic and turbid lake

Abstract

The fact that nutrients limit primary production in aquatic ecosystems is widely accepted, and phosphorus is demonstrated as the main limiting nutrient in freshwaters. Strict control of phosphorus supply has therefore become the primary goal in the management of eutrophic freshwaters, regardless of differences in catchment properties, lake morphometry and hydrology, and lake physical characteristics. Various abiotic and biotic factors may, however, impact the primary production of phytoplankton and blooms of potentially toxic cyanobacteria. The majority of these factors vary both seasonally and annually, especially in highly dynamic lakes that respond rapidly to changing weather conditions. This thesis consists of three different approaches in limnology: (1) a lake survey, (2) an in situ experiment with the lakes natural phytoplankton community, and addition of either phosphorus, both phosphorus and nitrogen, or no nutrients, and (3) a dynamic model to better understand the effects of physical and chemical factors on the phytoplankton dynamics in eutrophic lakes. Phosphorus was the limiting nutrient for phytoplankton growth as long as the light conditions in the lake were satisfactory. Nitrogen addition had minor effect on phytoplankton growth. The concentration of phosphorus, however, did not affect the biomass of cyanobacteria. Neither nitrogen nor the nitrogen to phosphorus ratio could explain dominance of the nitrogen fixing cyanobacteria Aphanizomenon cf. klebahnii and Anabaena planctonica. Light significantly influenced phytoplankton growth during the whole growing season. Cyanobacteria development was supported by warm water, shallow euphotic depth and low water turbulence rather than by nutrients. Inter-annual variation in weather highly influenced thermal, mixing and light regimes, which further determined nutrients and phytoplankton dynamics in the lake. Risk of cyanobacteria blooms seem to be especially high if increased fluxes of suspended matter and phosphorus during mild and wet winters are followed by warm summers, increased water temperatures and stable thermal stratification. More frequent mild winters, as predicted by climate scenarios for Scandinavia, increase the risk of cyanobacteria blooms in eutrophic and turbid lakes.

Det er allment akseptert at næringsstoffer begrenser primærproduksjonen i akvatiske økosystemer, og fosfor er hovedsaklig det begrensende næringsstoffet i ferskvann. Streng kontroll av fosfor har derfor blitt det primære målet i forvaltningen av eutrofe ferskvann, uavhengig av egenskapene til nedslagsfeltet og morfometriske, hydrologiske og fysiske egenskaper ved innsjøen. Flere abiotiske og biotiske faktorer kan imidlertid virke inn på primærproduksjonen av planteplankton og oppblomstring av potensielt giftige cyanobakterier. Flertallet av disse faktorene endres både sesongmessig og årlig, spesielt i svært dynamiske innsjøer som responderer raskt på skiftende værforhold. Denne oppgaven består av tre ulike tilnærminger innen limnology: (1) en innsjøundersøkelse, (2) et in situ eksperiment med innsjøens naturlige planteplanktonsamfunn og tilsetting av enten fosfor, både fosfor og nitrogen eller ingen næringsstoffer, og (3) en dynamisk modell for å bedre forstå effekten av fysiske og kjemiske faktorer på planteplanktondynamikken i eutrofe innsjøer. Fosfor var det begrensende næringsstoffet for vekst av planteplankton så lenge lysforholdene i innsjøen var tilfredsstillende. Tilsetting av nitrogen hadde ubetydelig effekt på tilvekst av planteplankton. Konsentrasjonen av fosfor påvirket derimot ikke biomassen av cyanobakterier. Hverken nitrogen eller forholdet mellom nitrogen og fosfor kunne forklare dominansen av de nitrogenfikserende cyanobakteriene Aphanizomenon cf. klebahnii og Anabaena planctonica. Lys påvirket signifikant tilveksten av planteplankton gjennom hele vekstsesongen. Utviklingen av cyanobakterier ble fremmet av varmt vann, grunt eufotiske dyp og lav turbulens, snarere enn av næringsstoffer. Årlige variasjoner i værforhold påvirket i høy grad varme-, sirkulasjons- og lysregimet, noe som videre påvirker dynamikken til næringsstoffer og fytoplankton i innsjøen. Faren for oppblomstring av cyanobakterier synes å være spesielt stor dersom økt avrenning av suspendert stoff og fosfor under milde og våte vintre etterfølges av varme somre, økte vanntemperaturer og stabil termisk sjiktdannelse. Høyere frekvens av milde vintre som indikert i klimascenarier for Skandinavia økter risikoen for oppblomstring av cyanobakterier i eutrofe og turbide innsjøer.