Pelagic calcite precipitation in lakes: from a global to a local perspective on its drivers and implications

Inland waters are relevant components of the global carbon cycle acting as active sites for biogeochemical processes. Lakes and reservoirs store and emit carbon in large quantities, comparable in magnitude to other major global carbon fluxes. This is of great relevance within the context of climate change. It is therefore important to quantify carbon fluxes from lakes for managing greenhouse gas emissions and climate change mitigation programs. Identifying the environmental conditions that drive carbon fluxes in lakes is needed for understanding the processes that influence the carbon cycle in lacustrine ecosystems. This knowledge is essential for improving Earth System Models and carbon budgets. Carbon emissions and storage in lakes have widely been attributed to organic processes, whereby organic carbon is either stored in the sediments or degraded through metabolic processes that release greenhouse gases to the atmosphere, such as carbon dioxide or methane. However, the inorganic process known as calcite precipitation, that describes the formation of calcium carbonate from water, can also play an important role in this regard. However, it has never been quantified at a global scale and the environmental conditions for its occurrence are not well understood. This thesis offers a first global estimation of pelagic calcite precipitation in lakes and its associated carbon emissions. Furthermore, it identifies the main drivers that control this process and its implications at a global and local scale. The main findings suggest that pelagic calcite precipitation is potentially a widespread process that can occur in most of the world’s lakes. Globally, its relevance is similar in magnitude to organic carbon burial in the sediments. However, its contribution to carbon dioxide emissions is negligeable. Primary production was identified as a main driver of pelagic calcification. However, the efficiency of primary production to induce calcification depends on the geochemistry of a lake, especially its level of alkalinity and saturation in calcite. This relationship can be used to account for this process in lake carbon models. This thesis stresses the need to adjust our current understanding of lake carbon cycling by accounting for organic processes along with inorganic processes such as calcite precipitation.

Siseveekogud kui biogeokeemiliselt aktiivsed süsteemid on globaalse süsinikuringe olulised komponendid. Järved ja veehoidlad võivad süsinikku nii talletada kui eraldada kogustes, mis on võrreldavad teiste suurte globaalsete süsinikuvoogudega. Seetõttu on järvedest pärit süsiniku hulkade arvestamine oluline kasvuhoonegaaside heitkoguste haldamiseks ja kliimamuutuste leevendusprogrammide läbiviimiseks. Järveökosüsteemide süsinikuringe mõistmiseks on vaja tuvastada järvede süsinikuvooge juhtivad keskkonnategurid. Teadmised järvede rollist süsinikuringes on olulised nii globaalse süsinikubilansi hindamiseks kui ka globaalsete süsteemimudelite täpsustamiseks. Seniste teadmiste kohaselt eeldati, et järvede süsinikuvooge mõjutavad peamiselt orgaanilise ainega seotud protsessid. Nende käigus orgaaniline süsinik kas ladestub setetes või laguneb ainevahetusprotsessides, mille tulemusena eraldub järvedest atmosfääri kasvuhoonegaase nagu süsihappegaas ja metaan. On aga vähem teada, et selles mehhanismis mängib olulist rolli ka üks anorgaaniline protsess – kaltsiidi sadenemine e lubjastumine, mida põhjustab kaltsiumkarbonaadi moodustumine veessambas. Selle protsessi olulisust järvedes pole seni ülemaailmselt hinnatud, mistõttu ei ole ka ülevaadet keskkonnatingimustest, mis seda protsessi mõjutavad. Käesolev doktoritöö pakub esimese globaalse hinnangu järvede avaveelise kaltsiidi sadenemise ulatusele ja sellega seotud süsinikuemissioonile. Lisaks selgitatakse välja peamised tegurid, mis seda protsessi kontrollivad ning selle globaalsed ja kohalikud tagajärjed. Töö tulemused viitavad sellele, et avaveeline kaltsiidi sadestumine on laialt levinud protsess, mis võib toimuda enamikus maailma järvedes. Globaalselt on selle olulisus võrreldavas suurusjärgus orgaanilise süsiniku väljasettimisega järvedes, kuid samas on lubjastumise panus süsihappegaasi heitkogustesse tühine. Peamiseks avaveelise lubjastumise põhjustajaks järvedes on esmasproduktsioon, kuid lubjastumise efektiivsus sõltub järve geokeemiast, eriti vee üldaluselisusest ja kaltsiidi küllastustasemest. Töö toob välja, et esmasproduktsiooni ja kaltsiidi küllastumise omavahelist suhet tuleks edaspidi kasutada lubjastumise arvestamisel järve ainevahetuse mudelites. Lisaks rõhutab väitekiri vajadust kohendada meie praegust arusaama järve süsinikuringest nii, et lisaks orgaanilistele protsessidele arvestataks ka anorgaanilisi protsesse, näiteks kaltsiidi sadenemist.