The palaeolimnological record of regime shifts in lakes in response to climate change

Abstract

Regime shifts in lake ecosystems can occur in response to both abrupt and continuous climate change, and the imprints they leave in palaeolimnological records allow us to investigate and better understand patterns and processes governing ecological changes on geological time scales. This thesis aims at investigating palaeolimnological records of regime shifts in lakes during the Holocene to explore how lake ecosystems responded to climate changes and anthropogenic activities and to identify thresholds or tipping points that produced regime shifts. The thesis includes case studies of two Swedish lakes and a synthesis of recently published palaeolimnological records displaying regime shifts. In the first case study a detailed diatom record from Lake Kälksjön, west-central Sweden, was investigated for periods of abrupt ecological change associated with the 8.2 ka cooling event. Using change-point analysis we found two regime shifts in the diatom record: one in response to an abrupt erosion event at c. 8040 cal. yr BP, and another caused by climate warming following the 8.2 ka event. The study demonstrates that not only can regime shifts be detected in sediment records, they can also be quantified and statistically tested for, provided that the sampling resolution is high and the chronological control sufficiently precise. The second case study is focused on recent regime shifts between clear-water and turbid states in Lake Krankesjön in southern Sweden. We combined palaeolimnological records and limnological monitoring data, concentrating on the documented collapse of the clear-water state in 1975 and the subsequent recovery in the late 1980s, in order to increase our understanding of changing ecological patterns and processes in shallow lakes. We found that the shift from clear to turbid conditions was abrupt, while the recovery of the clear-water state was more gradual, and the complex and non-linear reactions of the lake to shifting conditions emphasizes the importance of careful lake and catchment management if a stabilization of the clear-water state is desired. In addition to these studies, the theoretical concept of regime shifts is expanded upon in our synthesis of palaeolimnological records with regime shifts, where we characterize the shifts as either smooth, threshold-like or bistable. The examples are also placed within a conceptual model of potential physical processes that produce regime shifts in lakes and the main drivers behind the shifts are identified: direct climate influence on lakes, climate influence mediated through the catchment, lake ontogenetic processes and/or anthropogenic forcing. This framework helps to elucidate the relationship between driver and regime shift dynamics and the type of imprint that the associated regime shifts leave in sediment records.

When detected, past regime shifts and palaeolimnological records offer rich opportunities to increase the understanding of ecosystem responses to climate changes and to evaluate the mean state and natural variability of lake ecosystems on timescales of decades to millennia. Palaeolimnological archives provide a perspective on whether the pre-disturbance ”natural” state that may be the target of restoration efforts is actually natural, or if it is an anomaly in lake history, and if this target is at all possible to reach or if it, due to shifting baselines and lake ontogeny, is no longer a realistic restoration endpoint. Furthermore, I argue that linking the timescales of contemporary ecology with palaeoecology/limnology may provide long-term records of lake history and opportunities to further disentangle the role of different forcings on lake ecosystems. An improved understanding of lake ecosystem dynamics and regime shifts in lakes through the cooperation of limnologist/ecologists and palaeolimnologists may better prepare us to face future climate change and to fully understand and perhaps mitigate the effects of global climate change on lake ecosystems.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Traditionellt sett har man tänkt sig att gradvisa förändringar i yttre miljöfaktorer leder till lika gradvisa ekosystemförändringar, men vi vet nu att ekosystem som utsätts för mänsklig påverkan eller klimatförändringar kan reagera kraftigt och abrupt genom att ett ekologiskt tröskelvärde överskrids varvid en förändring sker från en stabil ekologisk situation till en annan. Dessa snabba förändringar kallas för regimskiften och konceptet används inom bland annat ekologi, klimatforskning, ekonomi och medicin.

Sjöar är känsliga för klimat- och miljöförändringar och ända sedan de bildades avsätts sediment på botten. Dessa sediment består av en blandning av material från sjöns omgivning, föroreningar från atmosfären och material som bildas i sjön, och lagerföljden av bottensediment i varje sjö utgör därmed ett historiskt arkiv över sjön och dess omgivning. Genom att studera sjösediment kan man därmed undersöka hur sjöars tillstånd har varierat genom historien och få inblick i såväl gångna tiders klimat- och miljöförändringar, som information om hur sjöars ekosystem påverkats av dessa förändringar. Kopplingen mellan en sjös ekosystem och yttre miljöpåverkan är dock mycket komplex och alla de faktorer som påverkar sjön (klimat, mänsklig påverkan, interna processer, avrinningsområde) interagerar med varandra, varierar i tid och rum och påverkar såväl ekosystemen direkt som filtrerar de klimatsignaler som når sjön. Detta innebär att liknande sjöar kommer att reagera olika på samma slags yttre påverkan, samt att en enskild sjö kommer att uppvisa olika slags reaktioner vid olika tidpunkter.

I denna avhandling undersöker jag om och hur man kan se spår av regimskiften i sjösediment och försöker genom detta utöka vår förståelse för vilka yttre processer som kan leda till skiften, samt hur dessa regimskiften kan yttra sig. Jag har framför allt analyserat kiselalger (även kallade diatoméer): encelliga organismer som formar svårnedbrytbara skal av kiseldioxid som bevaras bra i sedimenten. Artsammansättningen i diatomésamhället styrs av förhållandena i sjön och genom att artbestämma och räkna de alger som finns bevarade i sedimenten kan jag dra slutsatser om hur förhållandena varierat under tidigare perioder i en sjös historia. Jag har dels undersökt två svenska sjöar: Kälksjön i Värmland (artikel 1) och Krankesjön i Skåne (artikel 2), dels sammanfattat sentida paleolimnologiska forskningsresultat där sjöar uppvisat regimskiften (artikel 3).

I artikel 3 beskriver vi tre typer av regimskiften, enligt vilka vi klassificerar de exempel vi undersökt:

Typ I: jämna skiften där en plötslig yttre förändring leder till en lika plötslig ekosystemförändring

Typ II: tröskel-lika skiften där en successiv yttre förändring inte påverkar ekosystemet synbart förrän ett tröskelvärde överskrids varvid ekosystemet plötsligt förändras.

Typ III: bistabila skiften med omväxlande jämviktslägen. Dessa skiften liknar typ II, men när systemet väl skiftat kommer en omkastning av den yttre förändringen inte att leda till att systemet följer samma kurva och skiftar tillbaka. Ett exempel på detta är grunda sjöar som något förenklat kan ha antingen klart eller grumligt vatten. När näringstillförseln till en klarvattensjö ökar påverkas den inte förrän en viss nivå uppnås varvid den plötsligt skiftar och blir grumlig. När den väl är grumlig håller den sig dock i det läget och för att återgå till klart vatten räcker det inte att minska näringstillförseln till den nivå varvid den skiftade sist, utan man måste minska den ytterligare för att uppnå ett skifte tillbaka. Detta beror på att olika återkopplingsmekanismer vidmakthåller den regim, eller det läge, som sjön befinner sig i (klart respektive grumligt vatten).

Utöver denna klassifikation av regimskiften har vi också urskilt sex olika typer av påverkan som kan leda till regimskiften i sjöar:

klimatpåverkan - isdynamik (under hur lång tid sjön är täckt av is påverkar ljusförhållanden, växters tillväxtsäsong med mera)

klimatpåverkan - nederbörd (kan förändra sjöns vattenstånd samt vattenkemi)

klimatpåverkan - cirkulation och stagnation (påverkar levnadsförhållandena för organismer samt näringshalten i sjön)

klimatpåverkan - dräneringsområdets vegetation (påverkar näringstillförsel, vind, erosion med mera)

ontogeni - sjöns naturliga utveckling (ackumulation av sediment leder till grundare vatten, många sjöar upplever en naturlig försurning)

mänsklig påverkan - avskogning, föroreningar, övergödning

I artikel 3 kombinerar vi detta genom att undersöka sambanden mellan typ av påverkan och typ av regimskifte.

Artikel 1 beskriver vår undersökning av Kälksjön i Värmland. Denna sjö är varvig, eller årslaminerad, och genom att räkna de individuella varven och kombinera detta med kol-14-datering har en kontinuerlig kronologi med hög precision och tidsupplösning skapats. Vi har undersökt sediment från 7500 till 8500 år före nutid (nutid = 1950 vid kol-14-datering) med fokus på förändringar av diatoméernas artsammansättning, för att se hur en kort period med kallare klimat 8200 år före nutid (8.2 ka cooling event) påverkade sjöns ekosystem, samt undersöka om denna period gav upphov till regimskiften i sjön. Vi fann ett regimskifte ca 8040 år före nutid då produktiviteten fördubblades över 5-10 år, antagligen på grund av kraftig nederbörd vilket ledde till ökad erosion och med det ökad näringstillförsel till sjön. Detta regimskifte klassificerar vi som typ I där plötslig yttre påverkan (kraftig nederbörd) ledde till lika plötslig ekosystemförändring (ökad produktivitet). Ett annat skifte skedde som respons på att klimatet återigen blev varmare, men detta skifte är av typ II: sjön påverkades inte av uppvärmningen förrän ett tröskelvärde överskreds runt 7850 år före nutid då diatomésamhället plötsligt förändrades kraftigt. Sammanfattningsvis är studien ett exempel på att man kan spåra, mäta, statistiskt säkerställa och kvantifiera regimskiften i sedimentdata, men att det kräver sediment med hög tidsupplösning och hög dateringsprecision.

I artikel 2 har vi undersökt Krankesjön utanför Lund och jämfört sedimentdata med ekologisk mätdata som finns insamlad sedan sent 1960-tal. Krankesjön är en grund fågelsjö med Natura 2000-status, som skiftat mellan klart och grumligt vatten ett par gånger under de senaste 100 åren, men trots intensiva studier har mekanismerna bakom skiftena inte klarlagts. Vi inriktade oss på sjöns senaste skiften från klart till grumligt vatten 1975 och tillbaka till klart vatten i slutet av 80-talet och fann att vi kunde spåra dessa skiften i sedimenten. Resultaten var dock inte helt entydiga: diatomésamhället påverkas till exempel inte synbart av vattenkvaliteten utan skiftar först 1978 till ett samhälle som fortlever intill denna dag. De slutsatser vi drar av denna undersökning är att dessa skiften från klart till grumligt vatten kanske inte är exempel på omväxlande jämviktslägen som tidigare antagits, utan att sjön, förutom att påverkas av yttre faktorer, eventuellt även uppvisar ett naturligt och komplext cykliskt beteende. De senaste åren har Krankesjön verkat vara på väg att återigen skifta till grumligt vatten och då detta är till nackdel för sjöns status som fågelsjö vill Länsstyrelsen vidta åtgärder för att förhindra ett sådant skifte. Vår undersökning bidrar med viktig bakgrundsinformation för planering av sådana åtgärder.

I min avhandling visar jag att klimatförändringar och mänsklig påverkan har orsakat regimskiften i sjöar genom historien samt att man, genom att använda väldaterade och högupplösta sedimentarkiv kan spåra och undersöka dessa skiften. I och med EUs vattendirektiv har Sverige åtagit sig att uppnå god status i alla vatten innan år 2016 och god status definieras som inga eller mycket små avvikelser från opåverkade förhållanden. Men vad är opåverkade förhållanden? Dagens miljötillstånd är ju resultatet dels av naturens egna långsiktiga dynamik, dels av människans påverkan under flera tusen år och vilket tillstånd sjöar som är påverkade av försurning eller övergödning ska återställas till är en komplicerad fråga. Genom att kombinera nutida mätdata med sedimentdata kan man få tillgång till långa historiska arkiv och för att verkligen förstå sjöars utveckling och tillstånd krävs att paleolimnologer och ekologer/limnologer samarbetar. Sådana samarbeten kan hjälpa till att sätta realistiska mål för åtgärdsprogram samt hjälpa oss att förstå, samt kanske förmildra, den påverkan som global uppvärmning kommer att ha på sjöars ekosystem i framtiden.

• author: Randsalu Wendrup, Linda
• supervisor: Daniel Conley; Jacob Carstensen; Dan Hammarlund; Sherilyn Fritz
• opponent: Professor Battarbee, Rick, Environmental Change Research Centre, University College London
• organization: Quaternary Sciences
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology
• keywords: palaeolimnology, regime shifts, thresholds, alternative stable states, climate change, ecosystem dynamics, diatoms, hydrocarbons, monitoring, lake sediments, shallow lakes, 8.2 ka event
• in: Lundqua thesis
• issue: 70
• pages: 27 pages
• defense location: Pangea, Geocentrum II
• defense date: 2013-09-20 13:15:00
• external identifiers: scopus:84887363900
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 978-91-86746-91-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 938a4868-8212-47cf-8e3e-8233cd5a78b0 (old id 3990833)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:57:28
• date last changed: 2022-01-27 22:00:34