A palaeolimnological study of the anthropogenic impact on dissolved organic carbon in South Swedish lakes

Abstract

During the past three decades, increases have been observed in dissolved organic carbon (DOC) concentrations and colour in the surface waters of lakes and rivers in parts of Europe and North America, raising concern about the effects on the quality of aquatic environments with consequences for biodiversity, resource availability and recreational use. Various hypotheses have been put forward to explain the recent increases in DOC concentration and numerous studies have been published linking them to declining anthropogenic atmospherically deposited sulphur. Others have argued that increases in DOC content are a consequence of changes in climate, land use or land management practices.

The work presented in this thesis concentrates on identifying the major forcing mechanisms behind observed increases in DOC concentration in the upland area of southern Sweden during recent decades, by comparing variations in the total organic carbon (TOC) concentration in lake water inferred from lake sediments, in response to changes in land use, sulphur deposition and climate during the past eight centuries. Two small lakes with different catchment properties were selected for the study; one dominated by woodland with abundant peat deposits, and another located nearby with patches of agricultural land in an otherwise mainly forested terrain. A number of palaeolimnological methods were applied to the sediment sequences; decadal-scale variations in TOC concentration in the lakes were reconstructed based on visible-near infrared spectroscopy (VNIRS) of sediment successions, high-resolution (20-y) pollen-based reconstructions of local land use were quantified using the Landscape Reconstruction Algorithm (LRA) and the model Local Vegetation Estimates (LOVE), geochemical records provided further information on environmental changes in the lakes and their catchment areas, and changes in pH in the lakes were inferred from diatom analysis. Comparisons were made with population density data and climate records.

The results obtained with the LRA and LOVE models revealed a dynamic land-use pattern, with agricultural expansion from AD 1500 to the end of the 1800s, when population growth and the related increase in the exploitation of the surrounding land had a major impact on catchment erosion and input of terrestrial inorganic and organic matter to the lakes. Evidence also exists of a period of agricultural expansion around AD 1200-1300, followed by partial abandonment of the landscape, which can probably be attributed to the Black Death pandemic. A transition from traditional to modern land use following the industrial revolution took place during the past century, and a concurrent shift in most of the proxy records at around AD 1900 suggests a marked change in external forcing mechanisms common to both lakes, related to a major decrease in population density and the introduction of modern land use. The results revealed generally high TOC concentrations in the lakes prior to AD 1900, with second-order variations associated mainly with changes in the intensity of agricultural land use. The TOC concentrations in the lakes started to decrease around AD 1900, and unusually low TOC concentrations were recorded in the period AD 1930-1990, followed by a recent increase. The variation in sulphur emissions, with an increase in the early 1900s to a peak around AD 1980 followed by a significant decrease, was probably the main driver of lake-water TOC dynamics during the past century. This demonstrates that declining atmospheric sulphur deposition is the most probable driver of the increase in TOC concentration during the past three decades and that these lakes may be recovering to their naturally high-TOC pre-depositional states. The results also demonstrate regional versus local forcing of environmental change and indicate broadly similar regional sensitivities to anthropogenic impact, although responses were site-specific due to the different properties of the catchment areas. Given the reduction in atmospheric sulphur emission during recent decades, it is likely that previously suppressed or masked effects of changes in land use, land management and climate during the past century will become progressively more important drivers of TOC concentrations in lake water in the future. Long-term records of environmental history on decadal to millennial time scales enabled the assessment of ecosystem variability and responses to past anthropogenic disturbance, and may be a useful tool for the development of future environmental management strategies.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

De senaste ca trettio åren har man observerat en kraftig ökning av löst organiskt kol i sjöar, vattendrag och kustnära vatten i olika delar av det norra halvklotet, bl.a. i delar av Nordamerika, Storbritannien, Baltikum, centrala Europa och Skandinavien. I Sverige har ökningen främst varit koncentrerad till de södra delarna av landet. Löst organiskt kol i sjöar belägna i den boreala regionen består vanligtvis främst av nedbrutet organiskt material från växter och organismer som löses i vatten och lakas ut ur den omgivande marken. Av det lösta organiska kolet utgörs vanligtvis 50-75 % av färgade humuspartiklar som ger sjöar en karakteristisk brun färg. Ökningen av löst organiskt kol i sjöar har således oftast följts av en kraftig färgning av vattnen, s.k. brunifiering.

Brunifieringen av våra sjöar medför en rad konsekvenser för de akvatiska ekosystemen, vattnet blir mörkare vilket leder till sämre ljusförhållanden och högre vattentemperaturer som påverkar den akvatiska faunan och floran med betydande förändringar i den biologiska mångfalden. Sjövatten har även en avgörande betydelse för Sveriges vattenförsörjning då ca hälften av vårt dricksvatten tas från ytvattentäkter. Ökningen av humus leder till en högre bakteriell tillväxt och till högre halter av miljöfarliga ämnen med risk för vår hälsa. Den ökade humushalten gör det svårare att framställa dricksvatten av god kvalité och vattenverken kan bli tvingade att investera i ny reningsteknik, eller eventuellt byta vattentäkt med stora ekonomiska konsekvenser. Vattenkvalitén i sjöar och vattendrag är även viktiga för rekreation i form av fiske och bad, brunifieringen kan medföra färre besökare och intäkter från turism i de värst drabbade områdena.

Man tror att den ökade brunifieringen kan bero på förändringar i nedfall av surt regn, klimat och markanvändning. Mängden löst organiskt kol som lakas ut från marken till sjövatten styrs av faktorer som påverkar organisk produktion och nedbrytning, löslighet och transport. Nedfall av surt regn påverkar lösligheten av organiskt kol och försurning av marken leder till ett lägre pH som ger lägre löslighet. De senaste trettio åren har nedfallet av surt regn minskat dramatiskt och bidragit till en ökad pH och återhämtning från sura markförhållanden, vilket kan leda till en högre löslighet av organiskt kol och en ökad urlakning. Om detta är orsaken till den ökande brunifieringen så innebär det att mark-och vattensystemen återhämtar sig från en tidigare miljöpåverkan till mer normala förhållanden.

Ett varmare klimat och mer nederbörd kan i sin tur öka den organiska produktionen och transporten av löst organiskt kol till sjöar. Men i själva verket är det mer komplicerat än så, högre temperatur kan istället leda till en ökad mängd av organiskt kol till atmosfären i form av koldioxid och metan än löst organiskt kol till sjöarna. Ökad nederbörd kan på lång sikt leda till en minskning av löst organiskt kol i sjöar genom utspädning och en urlakning av markerna. Om dagens klimatförändringar är orsaken bakom den ökade brunifieringen kan detta potentiellt leda till fortsatta ökningar med stora konsekvenser på sjöarnas funktion.

Markanvändning har genomgått stora förändringar det senaste århundradet, från traditionellt småskaligt jordbruk till dagens kommersiella moderna skogs- och jordbruk. Förändringar i markanvändning resulterar i förändringar i markens lagrade kol, t.ex. skog till åkermark leder till en förlust i kol. Dränering, avverkning och gödsling av skogs-och jordbruksmark påverkar också urlakning och transport av löst organiskt kol till sjöar. Det är viktigt att förstå hur människan kan ha bidragit till den ökande brunifieringen, för att möjliggöra en hållbar utveckling i skogs-och jordbruk med så lite påverkan som möjligt på halten organiskt kol i våra sjöar.

De potentiella orsakerna till den ökade brunifieringen är processer som pågått under en längre tid än vad som har kunnat studeras då det saknas, eller finns bara begränsad mätdata från tiden före 1960. För att kunna ta reda på om den ökade brunifieringen är en produkt av mänsklig påverkan eller är en del av en naturlig utveckling behövs ett längre tidsperspektiv studeras. Paleolimnologi och analyser av sjösediment kan ge unik information om den historiska miljöutvecklingen i en sjö och dess omgivning. Sjösediment består av en blandning av material som kommer från sjöns omgivning, atmosfäriska föroreningar och material som bildats i sjön. Genom att analysera sammansättningen av det material som kontinuerligt avlagras på sjöns botten i en kronologisk följd får man information om tiden innan industrialismen och modernt skogs-och jordbruk.

I den här avhandlingen analyseras hur halten löst organiskt kol (TOC) i två sjöar (Åbodasjön och Lindhultsgöl) på Sydsvenska höglandet under 800 år har påverkats av förändringar i nedfall av surt regn, klimat och markanvändning för att försöka förstå mekanismerna bakom dagens ökade brunifiering. Flera olika paleolimnologiska metoder användes såsom radiometrisk datering av sedimenten, närinfraröd spektroskopi (VNIRS) för rekonstruktion av variationer i TOC-halt, analys av diatoméer (kiselalger) för rekonstruktioner av pH, pollenanalys och modeller för att kvantifiera utbredningen av olika typer av markanvändning under olika tidsperioder, samt geokemiska analyser av organiskt och oorganiskt innehåll för information om dess ursprung, näringskretslopp och perioder av markerosion. Detta jämfördes med dokumentation om befolkningsutvecklingen i området, surt nedfall, samt förändringar i temperatur och nederbörd.

Resultaten från undersökningarna visar att sjöarna har varit påverkade av mänsklig aktivitet av olika intensitet i sjöarnas närområde de senaste 1000 åren. Det finns bevis för två perioder av ökad aktivitet och jordbruksutbredning kring Åbodasjön och Lindhultsgöl. En period mellan 1260-1400 följd av delvis övergivna jordbruksmarker som kan härröras till den effekt digerdödens utbrott 1350 tros ha haft på Sveriges befolkning. En återetablering registrerade på 1500-talet, med kontinuerligt ökad utbredning av jordbruksmark i takt med en ökad befolkning till ett maximum på 1880-talet. Därefter avbefolkades bygden och modern markanvändning med ett industrialiserat skogs-och jordbruk introducerades. Idag domineras bygden av skogsbruk med inriktning främst på gran, och befolkningen har minskat till 1700-talets låga nivåer.

De historiska rekonstruktionerna visar att TOC-halterna var höga fram till 1900-talet, och variationer kunde kopplas till förändringar i jordbruksutbredning och intensitet samt förekomsten av torvmark som är rika på humuspartiklar. Det är viktigt att poängtera att halten humus i sjövatten kan variera och resultaten från Åbodasjön tyder på att en period av ökad TOC-halt p.g.a. ökad intensitet i jordbruksutbredning förmodligen inte gav upphov till någon större förändring i vattenfärg då TOC från jordbruk har en sammansättning av främst ofärgade partiklar. De historiska variationerna i TOC-halten kan alltså inte alltid tolkas som förändringar i vattnets färg.

I början av 1900-talet minskade TOC-halten i båda sjöarna, mest kraftigt i Lindhultsgöl, för att nå låga eller ovanligt låga nivåer ur ett historiskt tidsperspektiv under 1930-1990, därefter ökade nivåerna till en mer ”normal” nivå i linje med pre-industriella koncentrationer. Dessa förändringar under 1900-talet kan kopplas till surt nedfall som startade kring 1900 för att nå de högsta nivåerna 1980-1995 följt av en kraftig minskning. Det finns inga förändringar i markanvändning eller klimat som kan förklara de ovanligt låga nivåerna av TOC-halten i sjöarna under 1900-talet, inte heller den hastiga ökning som inträffade på 1990-talet. Minskningarna i surt nedfall och en ökad urlakning av ackumulerat organiskt kol som ej lösts ut i vatten p.g.a. tidigare sura markförhållanden är den troligaste förklaringen till den ökade brunifieringen de senaste trettio åren. Detta innebär att brunifieringen är en återhämtningsprocess och att halterna av TOC kommer att plana ut. Hur länge TOC-halten och färgen kommer att öka är osäkert, då det beror på hur mycket organiskt material som har lagrats i markerna under försurningen, och hur mycket av det som består av humuspartiklar. Det är också osäkert om andra mekanismer såsom klimatförändringar och/eller olika metoder inom modernt skogs- och jordbruk, tidigare varit underordnad den starka effekt surt nedfall hade på lösligheten av TOC, och nu kan komma att påverka den framtida utvecklingen av TOC-halten i sjöar på det sydsvenska höglandet.

Med den här studien vill jag illustrera att ett långtidsperspektiv, bortom limnologisk mätdata kan hjälpa till att bidra med viktig bakgrundsinformation som kan hjälpa till att förutsäga den troliga framtida utvecklingen av sjöar. Den här studien visar också hur olika typer av vegetation och markanvändning i sjöns omgivning påverkar mottagligheten för en miljörelaterad stress och det är viktigt att ta de lokala förhållandena i beaktning. Man kan argumentera för att paleolimnologiska undersökningar bör utföras vid planering av större investeringar, såsom ny vattentäkt för dricksvattensförsörjning, för att analysera sjöns naturliga variationer kontra känslighet för mänsklig påverkan för att undvika problem associerade med förändringar i kvalitén av sjövattnet som kunde ha förutspåtts.

• author: Bragée, Petra
• supervisor: Dan Hammarlund; Anna Broström; Wilhelm Granéli
• opponent: Professor Bindler, Richard, Institutionen för ekologi, miljö och geovetenskap, Umeå Universitet, Umeå
• organization: Quaternary Sciences; BECC: Biodiversity and Ecosystem services in a Changing Climate; Centre for Environmental and Climate Science (CEC)
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Geology; Earth and Related Environmental Sciences
• keywords: DOC, Brownification, Landscape Reconstruction Algorithm, Land-use changes, Lake sediments, Anthropogenic impact
• in: Lundqua thesis
• issue: 71
• pages: 120 pages
• defense location: Geocentrum IIs föreläsningssal Pangea, Sölvegatan 12, Lund
• defense date: 2013-11-01 13:15:00
• external identifiers: scopus:84886687240
• ISSN: 0281-3033
• ISSN: 0281-3033
• ISBN: 978-91-86746-93-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e648956c-1197-40e4-8e35-691a4ef90ed4 (old id 4076868)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:06:09
• date last changed: 2022-01-28 04:32:06