The impact of optical properties on spectral light availability and biomass of phytoplankton in boreal lakes

Abstract

Boreaalisissa järvissä on usein runsaasti värillistä liuennutta orgaanista ainesta (CDOM), joka vaikuttaa valon vaimenemiseen ja lämpökerrostuneisuuteen, mutta jonka vaikutuksista kasviplanktoniin tiedetään vähän. Tässä väitöskirjassa tutkin CDOM:in vaikutuksia järvien valosaatavuuteen ja spektriin sekä kasviplanktonin vasteita muuttuneeseen valosaatavuuteen ja sekoittuvan kerroksen paksuuteen hyödyntäen vesinäytteitä 128 järvestä ja seuraamalla yhtä järveä kesän kerrostuneisuuden aikana. Lähes kaikissa järvissä suurin valoa absorboiva tekijä oli CDOM, jonka suurempi määrä oli yhteydessä matalampaan eufoottiseen kerrokseen, sekä syvimmälle tunkeutuvan valon siirtymiseen vihreästä kohti punaista aallonpituusaluetta. Samalla kasviplanktonin absorboimasta valosta punaisen valon osuus kasvoi. Klorofyllipitoisuus ja kasviplanktonbiomassa olivat suurempia CDOM:ia paljon sisältävissä järvissä, mutta kasviplanktonin ei havaittu nostavan solunsisäistä klorofyllipitoisuutta vasteena pienempään valosaatavuuteen. Veden tummuminen tyypillisessä boreaalisessa järvessä, olettaen että CDOM ja ravinnesaatavuus kasvavat samanaikaisesti, vähensi kasviplanktonin absorboimaa osuutta saatavilla olevasta valosta vesipatsaassa vain vähän, johtuen ravinnesaatavuuden kompensoivasta vaikutuksesta. Järven vesipatsaan seurannassa kesän kerrostuneisuuden aikana kasviplanktonbiomassa oli suurempi järven sekoittuvan kerroksen syvetessä, kun taas parempi valosaatavuus nosti biomassaa vain valon ollessa vähäinen. Tulosten mukaan kasviplanktonin biomassa voi olla suuri boreaalisissa runsaastikin CDOM:ia sisältävissä järvissä, jos samalla ravinnesaatavuus maalta tulevasta alloktonisesta aineesta kasvaa, olettaen että valoa on tarpeeksi saatavilla. Vaikka CDOM rajoittaa valosaatavuutta boreaalisissa järvissä, ravinteet vaikuttavat olevan tärkeä kasviplanktonin biomassaa rajoittava tekijä tummissakin järvissä. Matala sekoittuva kerros kesän hellejaksojen aikana ilmaston lämpenemisen ja tummumisen yhteisvaikutuksesta voikin rajoittaa kasviplanktonin biomassaa kerrostuneessa järvessä, jos ravinnesaatavuus on heikkoa.

Many boreal lakes have a high content of chromophoric dissolved organic matter (CDOM), which affects light attenuation and thermal structure of water columns, with poorly known consequences on phytoplankton that are essential energy source in aquatic food webs. In this thesis, I used water samples from 128 boreal Finnish lakes and water column monitoring of one lake to study the impact of CDOM on the spectral underwater light field and responses of phytoplankton to the changes in light availability and mixed layer. In most study lakes, CDOM was the highest light absorbing component and strongly controlled the attenuation of solar radiation in water columns. Higher CDOM content in lakes was associated to shallower euphotic layer and a shift in the most available waveband towards red waveband of visible light. Consequently, red light covered > 50 % of the total absorption of visible light by phytoplankton in most study lakes. There was no photoacclimation through the regulation of chlorophyll a (Chla) content by phytoplankton in response to the lower light availability in high-CDOM lakes, but both Chla concentration and phytoplankton biomass were higher in lakes with higher CDOM. A browning scenario assuming increases in both CDOM and nutrients decreased the fraction of light absorbed by phytoplankton but only moderately, presumably due to a compensatory effect of nutrients by promoting higher phytoplankton biomass. In the daily monitoring of Lake Jyväsjärvi during summer stratification, phytoplankton biomass was higher on windy and colder days when mixed layer was deeper. Improving light availability increased the biomass only when light levels were low. Collectively, these findings suggest that despite the strong control of light field by CDOM, phytoplankton biomass can be high even in CDOM-rich lakes, likely owing to higher nutrient export to the lakes. Hence, nutrient availability appears to have a key role in limiting phytoplankton biomass in boreal non-eutrophic lakes. A shallow mixed layer due to a combined effect of browning and climate warming have the potential to limit phytoplankton biomass in stratified lakes during summer heatwave periods, if nutrient availability is low.