Paleolimnological investigation in Øvre Heimdalsvatn : natural and anthropogenic influences during the late holocene

Abstract

Knowledge-based water management requires a thorough understanding of previous lake conditions. Paleolimnological methods utilizes lake sediments as an important tool to obtain this knowledge. To gain a realistic view of previous conditions in lakes, the Water Framework Directive (WFD) require lake sediments to be retrieved from a lake unaffected by anthropogenic activity or classified as a reference lake. This thesis is based on the analysis of two sediment core records collected from Øvre Heimdalsvatn in September 2016, located in Øystre Slidre, Oppland County. The lake is classified as a reference lake for other sub-alpine lakes in Norway, and has served as an important research site in several fields, related to e.g. lake ecosystems during the last 50 years. The two sediment cores have been analyzed for nineteen different chemical constituents (Fe, Al, Ca, Mg, K, P, S, Na, Mn, Cu, V, Zn, Cr, Pb, As, Cs, Cd, Hg, Ni, Pb, As, Cs, Cd, Hg), and sixteen pigments included degradation products. Simultaneously, analyses of dry weight, total carbon, and total nitrogen have been carried out. By using these parameters, the thesis aims to examine late Holocene environmental history in Øvre Heimdalsvatn, and look at the major trends in distribution of inorganic constituents and pigments during the last ca 2000 years. A principal component analysis (PCA) was used to emphasize variation and correlation among the parameters. The results from PCA indicated a positive correlation between the trace metals (Zn, Hg, Cd, As, Pb) and S. Since 950 CE until present, there is a generally increasing trend, with a decline in Pb, Cd and Zn in recent times. These trace metals are not considered a natural part of the bedrock composition in the area, and are assumed to be a result of long-range transport of atmospheric pollution. The remaining constituents show a more constant pattern throughout the sediment core, with minor variations. Based on the geomorphology in the area these constituents are a part of the bedrock composition, and the occurrence is most probably a result of natural background levels. The PCA indicated a positive correlation between chlorophyll a and -b (included degradation products) as they orient in the same direction. This was to be expected. Some pigments were excluded from the thesis, as they were not found or had very low concentrations. The remaining pigments indicated an overall similar trend, but occurred at different concentration levels. A change in pigment assemblage indicate a change in phytoplankton community in the lake. The major trends in pigment variations coincide well with the estimated temperature reconstruction in Northern Europe during the last millennium. The algae assemblage in a lake is largely influenced by changes in climatic conditions, which is well reflected in the pigment analyses.

God kunnskapsbasert vannforvaltning krever innsikt i innsjøers tidligere tilstand. Paleolimnologi er en metode som bruker innsjøsedimenter som et viktig redskap for å tilegne seg nettopp denne kunnskapen. For at metoden skal gi en så realistisk fremstilling som mulig, krever Vanndirektivet at prøvene skal tas fra en referanseinnsjø eller innsjøer som er upåvirket av antropogen aktivitet. Denne oppgaven er basert på analyser av to sedimentkjerner hentet fra Øvre Heimdalsvatn i september 2016, som ligger i Øystre Slidre, Oppland fylke. Den er klassifisert som en referanseinnsjø for subalpine innsjøer i Norge og har gjennom de siste 50 år vært svært viktig for en rekke studier innen e.g. akvatiske økosystemer. Sedimentsøylene ble analysert for nitten ulike grunnstoffer (Fe, Al, Ca, Mg, K, P, S, Na, Mn, Cu, V, Zn, Cr, Pb, As, Cs, Cd, Hg, Ni, Pb, As, Cs, Cd, Hg), og seksten forskjellige pigmenter, inkludert nedbrytningsproduktene. Samtidig er det utført analyser på tørrvekt, total karbon og total nitrogen. Formålet med oppgaven er å bruke disse parameterene til å undersøke klimahistorie gjennom siste del av den Holocene tidsperioden, samtidig se på de store trender i utvalgte grunnstoffer og pigmenter gjennom de siste ca 2000 år. For å fremheve variasjon og korrelasjon i variablene, ble det gjennomført en prinsipial komponent analyse (PCA). Resultatene fra PCA indikerer en sammenheng mellom de fleste spormetallene (Zn, Hg, Cd, As, Pb) og S. Fra år 950 evt. er det generelt en økende trend blant alle spormetallene, med en avtakende konsentrasjon av Pb, Cd og Zn mot nyere tid. Disse spormetallene er ikke en naturlig del av berggrunnen i området og antas å være et resultat fra langtransporterte luftforurensinger. De resterende grunnstoffene viser en noe varierende, men jevn konsentrasjon i sedimentene. Det antas at dette er konsentrasjoner som skyldes naturlige bakgrunnsverdier fra bergrunnen. Som forventet er det en positiv korrelasjon mellom klorofyll a og -b (inkludert nedbrytningsproduktene), da disse orienterer seg i samme retning i PCA. Enkelte pigmenter ble ikke funnet, samt noen med svært lave verdier og er derfor utelatt i oppgaven. De resterende pigmenter som er tatt med i oppgaven følger hverandre tett, med noen unntak. Endringer i pigmentsammensetning kan tyde på et endret fytoplanktonsammfunn i innsjøen. Videre tyder det på at pigmenter i stor grad er styrt av temperatur, da variasjon i pigment følger i stor grad estimerte temperatursvingninger de siste 1000 år. Variasjon i pigmenter sammenfaller med estimerte temperaturrekonstruksjoner gjennom de siste 1000 år. Algesammensetningen i innsjøen ser ut til å være særlig styrt av klimatiske forhold, som kommer tydelig frem av pigmentanalysene.