Drivers of increasing iron concentrations in freshwaters

Abstract

Iron (Fe) concentrations are increasing in freshwaters (lakes and streams) in Sweden, as well as in other regions in northern Europe. Together with increasing concentrations of organic matter, Fe is contributing to the ongoing browning of freshwaters, which may have serious ecological consequences and implications for ecosystem services. The aim of this thesis was to investigated where, to what extent, and - primarily - why Fe concentrations are increasing in freshwaters.

As catchment soils are the main source of Fe in freshwaters, higher catchment influx could explain increases in Fe concentrations, but the positive trends could also be the result of changes in processes controlling the distribution of Fe within freshwater systems. I investigated how both of these processes are affected by changes in climate, atmospheric sulfate deposition, and land-use. These three potential drivers were hypothesized to affect pH, redox conditions and OM availability, factors controlling Fe speciation and thus Fe mobility in the landscape.

Analyses of temporal and spatial patterns in Fe concentrations from monitoring data of wide geographic distribution confirmed that positive Fe trends are widespread, and possibly more frequent in Northern Europe than in North America. Positive Fe trends were also more frequent in catchments with a high percentage of coniferous forest, and found in regions were precipitation had increased. Coniferous forest soils are particularly important sources of Fe due to high OM content, low pH, and consequently high weathering rates. A dramatic increase in spruce volume in the catchment of Lake Bolmen, illustrating a landscape wide shift from an agricultural to a forestry dominated land-use, was a strong predictor of long-term increases in Fe concentration in the lake. Moreover, increasing accumulation rates of Fe, Si and OM in more recent sediments of Lake Bolmen are in line with increased weathering and catchment loading in response to afforestation.

Increases in precipitation could promote catchment export through increased runoff and water saturation of soils that favor reductive dissolution and mobilization of Fe. Accordingly, catchment loading of Fe was positively correlated to flow to Lake Bolmen. However, variation in precipitation seemed to explain short-term variability in Fe concentrations and loading, rather than long-term trends.

Analyses of monitoring data further revealed a significant relationship between the increase in Fe concentrations and declining sulfate concentrations. However, when the role of S availability was investigated in the more mechanistic studies of this thesis, higher aqueous Fe concentrations were not found in response to lower S. In a microcosm experiment with soil slurries, Fe mobilization was in fact larger in treatments with high sulfate, probably due to increased acidity enhancing Fe solubility. Moreover, in sediment records of Lake Bolmen, Fe accumulation and the contribution of FeS were independent of elevated S accumulation during peak S deposition.

Collectively, the results of this thesis point to the importance of increased loading in response to afforestation and enhanced weathering, as a driver of increasing Fe concentrations. Increasing precipitation may further enhance Fe mobilization from coniferous forest soils.

Abstract (Swedish)

På senare år har flera studier visat på att järnhalten ökar i sjöar och vattendrag i norra Europa. Järn spelar en nyckelroll i akvatiska miljöer genom att påverka tillgängligheten av andra näringsämnen i vattnet så som kväve och fosfor, vilket kan reglera tillväxten av växtplankton. Dessutom färgar järn tillsammans med organiskt material vatten brunt. När vattnet blir brunare försämras ljusklimatet i sjön, vilket påverkar undervattensväxter och vattenlevande djur som är beroende av sin syn för att lokalisera byten. Vidare baseras dricksvattenproduktionen i Sverige i stor utsträckning på råvatten från sjöar. Att vattnet blir brunare kan få stora konsekvenser då vattenreningen blir mer komplicerad och kostsam. För att kunna säkra god vattenkvalitet är det därför viktigt att förstå varför järnhalterna ökar och dessa sötvatten blir brunare.

I denna avhandling undersökte jag om klimatförändringar mot ett varmare och våtare klimat, förändrad markanvändning med ökad andel barrskog, samt minskade mängder svavel i mark och vatten är möjliga orsaker bakom järnökningen. För att studera hur dessa komplexa processer påverkar järnets rörlighet i mark, vatten och sediment analyserade jag mönster i miljöövervakningsdata, utförde kontrollerade experiment, och använde sjösediment som arkiv över förändringar i miljö och vattenkemi över tid.

En ökad andel granskog i avrinningsområdet visade sig ha en hög förklaringsgrad när jag analyserade sambandet mellan järnkoncentrationer i vatten och granvolym. Under granskog bildas med tiden ett tjockt organiskt jordlager som försurar marken, vilket leder till vittring som frigör järn. Tillsammans med organiskt material kan järnet transporteras med markvatten till vattendrag och sjöar. Denna avhandling ger stöd för att en omfattande förändring i markanvändning, från ett mer öppet och jordbrukspåverkat landskap till ett mer tätbeskogat och barrdominerat, är en bidragande faktor bakom järnökningarna.

Jag fann också att järnhalter ökar i regioner där nederbörden ökat. En ökad nederbörd kan leda till en större transport av järn genom ökad ytavrinning från omgivande marker till rinnande vatten och sjöar. I linje med det fann jag att mer järn transporterades till en sjö under blöta år, och att mer järn frigörs när organiska och vattenmättade jordar är syrefria och reducerande. Trots detta förklarade variation i nederbörd bara korttidsvariationer i järnhalter och inte långsiktiga trender.

Slutligen fanns ett statistiskt samband mellan en ökning i järnhalt och en minskning i svavelhalt i de vatten jag undersökte. Eftersom svavel i reducerad form kan binda järn i mark och sediment skulle de ökade järnhalterna kunna vara ett resultat av en minskad bildning av järn-svavel-föreningar på grund av en minskad tillgång på svavel. När jag testade effekten av höga svavelkoncentrationer på järnmobilisering från jord, fann jag emellertid inget stöd för en sådan mekanism.

Sammanfattningsvis fann jag att en utbredning av granskog är den troligaste orsaken bakom järnökningar i sötvatten, och att en ökande nederbörd kan bidra till att mer järn kan transporteras från skogsjordar. Med tanke på att en fortsatt ökning i järn och vattenfärg kan få allvarliga konsekvenser för ekosystemen och försämra vattenkvaliteten är det motiverat att vidare studera vad som driver denna förändring.

• author: Björnerås, Caroline
• supervisor: Emma Kritzberg; Per Persson; Gesa Weyhenmeyer
• opponent: Professor Maranger, Roxane, Université de Montréal, Canada
• organization: Division aquatic ecology; BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate
• publishing date: 2019-10-28
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Ecology
• keywords: Järn, Akvatisk ekologi, Biogeokemi, Brunifiering, Iron, Freshwaters, Biogeochemistry, Brownification, Iron biogeochemistry, Browning, Freshwaters
• defense location: The Blue Hall, Ecology Building, Sölvegatan 37, Lund. join via zoom: https://lu-se.zoom.us/j/65151349844?pwd=d0JJeGwxVG16TzlyaEhhUHJPUFJoUT09
• defense date: 2020-10-23 13:15:00
• ISBN: 978-91-7895-336-3
• ISBN: 978-91-7895-337-0
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b5715f36-0e57-4e38-9161-a6dd04213077
• date added to LUP: 2019-10-30 13:56:20
• date last changed: 2023-05-09 14:39:11