Organic matter in temperate lakes – monitoring and connections with catchment

Organic matter (OM) has an important role in lakes as a pH buffer in low alkalinity waters and acting as an energy source for heterotrophic microorganisms. Increasing OM concentrations in lakes have been reported as a dominating trend in various parts of the Northern Hemisphere over the past decades. This phenomenon is called brownification as the brown colour of water increases. Darker water may lead to light limitation of phytoplankton and affect lake productivity at several trophic levels. The organic enrichment with oxygen-consuming substances is also a serious issue in lakes, causing the depletion of dissolved oxygen. The present thesis focused primarily on the monitoring of lake OM and on the connections in temperate lake-catchment systems affecting the amount, properties and cycling of OM. Review of the monitoring programmes showed that European Union (EU) surveillance monitoring does not provide sufficient data for capturing the trends of brownification and organic enrichment in lakes. In 15 EU Member States no OM metric is routinely monitored in lakes. However, our results showed that Sentinel-2 will be a valuable tool for OM monitoring in lakes with remote sensing in addition to traditional methods, as we were able to estimate the OM content in Estonian lakes with different size and optical water properties from Sentinel-2 satellite images. Catchment characteristics have substantial effects on OM and its main component organic carbon (OC) in Estonian lakes and in temperate lakes in general. Our analysis confirmed the role of peatlands as a major source of OM and showed that larger catchments and intensive water exchange result in higher levels of OM. Hydrologically active lakes receive and emit large amounts of OC, whereas seepage lakes mobilise several orders of magnitude less OC and retain nearly all of it. Lakes should be studied as lake-catchment systems for a better insight into their OC cycling and the overall effect on the global carbon cycle.

Orgaanilisel ainel on järvedes tähtis roll, näiteks olla pH puhvriks ning mikroobstes protsessides süsinikuallikaks. Paljudes põhjapoolkera järvedes on valgalalt pärineva orgaanilise aine sisaldus viimastel aastakümnetel tõusnud. Seda nimetatakse pruunistumiseks, sest tagajärjeks on tumedam vee värvus. Vähene valgus tumedas vees piirab fotosünteesi, mis mõjutab järve produktiivsust ka järgmistel toiduahela astmetel. Lisaks kahjustab järvi rikastumine kergesti lagunevate orgaaniliste ühenditega ehk orgaaniline reostus, mis põhjustab hapnikupuudust. Käesolevas doktoritöös käsitletakse orgaanilise aine seiret järvedes ning järve-valgala seoseid, mis mõjutavad orgaanilise aine kogust, koostist ja ringet parasvöötme järvedes. Euroopa Liidu (EL) seireprogrammide ülevaade näitas, et seireandmete põhjal ei ole võimalik hinnata üleeuroopalisi pruunistumise ja orgaanilise reostuse trende järvedes. Viieteistkümnes EL liikmesriigis ei mõõdeta järvedes regulaarselt mitte ühtegi orgaanilise aine näitajat. Samas näitasid meie tulemused, et kaugseiresatelliit Sentinel-2 on paljulubav vahend orgaanilise aine seire täiendamiseks traditsiooniliste meetodite kõrval. Suutsime satelliidipiltidelt usaldusväärselt hinnata orgaanilise aine sisaldust erineva suuruse ja vee tumedusega Eesti järvedes. Orgaanilise aine ja selle peamise komponendi, orgaanilise süsiniku kogust, koostist ja ringet Eesti ja parasvöötme järvedes üldiselt mõjutavad oluliselt valgala omadused. Meie tulemused kinnitasid raba rolli orgaanilise aine peamise allikana ning näitasid, et suur valgala ning intensiivne veevahetus tingivad tema kõrgema sisalduse. Intensiivse veevahetusega järvedesse transporditakse suurtes kogustes orgaanilist süsinikku, kuid enamus sellest kantakse järvedest välja. Teisalt on umbjärvedes ringlev kogus väga väike ning eksport olematu. Järvi tuleks uurida kui ühtseid järve-valgala süsteeme, et saada parem ülevaade orgaanilise süsiniku ringest ning võimalikust mõjust globaalsele süsinikuringele.