Winter limnology in North Karelia

(This blog post was originally published on May 10th 2021 at https://www.uef.fi/en/article/blog-winter-limnology-in-north-karelia)

Text: Carlos Palacín & Helena Jäntti | Photo: Carlos Palacín

Winter limnology team, part of the UEF water programme, is investigating how the warming winters affect North Karelian lakes. This is the first time when the microbial communities in lake sediments in Eastern Finland are investigated by using modern tools based on stable isotopes and molecular biology, uncovering the whole diversity and process rates of the sediment microbial communities.

Eastern Finland, as part of the high Northern latitudes, is warming faster than more southern areas, and thus understanding the effect of climate change on lakes is crucial to be able to prepare and adapt to the prevailing change. Life under ice is still poorly understood, yet aquatic animals spend nearly half of their lives under the ice. This research is shedding light to sediment processes that are currently very poorly known in boreal lakes.

Lakes are bound to changes in their catchment area. In living memory, winter used to come rapidly, soil froze deep, and lakes used to be ice-covered for half of the year. Now, due to climate change, autumns are longer, there is more rain and snow, and ice-covered period is shorter.

More precipitation and shorter ground frost period mean more dissolved and particulate organic matter, containing carbon and nutrients, that are leaching from terrestrial environments into lakes. Intensive land uses can further magnify the impacts. This has led to darkening watercolor, known as brownification.

Even the Finland’s most prestigious clearwater lakes such as lake Puruvesi have become visibly browner. In addition to changes in the watercolor, the increasing load from catchments also affects how nutrients recycle in lakes, and between the lakes and the atmosphere.

Preliminary data give us a warning that aquatic systems which receive high amounts of organic matter from their catchment, cannot cope with the effects of excess nutrient loads as efficiently as clearwater lakes, and are prone to the negative effects of eutrophication, including loss of oxygen and death of animals living in bottom sediments.

The large unknown is that most nutrient cycling measurements have been done during the open water season, and thus the role of wintertime nutrient processing is mostly unknown.

The winter limnology team has been measuring nitrogen cycling in lake sediments during the ice cover season on various locations in North Karelia. The team has sampled both in clearwater and brown color basins in lake Höytiäinen and lake Viinijärvi. Laboratory measurements of the collected samples reveal the resilience of lakes towards increasing loading of nutrients and organic matter.

The research is collaborative among the Biogeochemistry and Aquatic ecology and behavioural ecology groups of UEF, University of Jyväskylä and the Swedish University of Agricultural Sciences. The processing of samples is currently underway, and we can expect preliminary results during the fall 2021 and published outputs in early 2022.

WINTER LIMNOLOGY TEAM

Carlos Palacín-Lizarbe (UEF Connect profile)
Anssi Vainikka (UEF Connect profile)
Raine Kortet (UEF Connect profile)
Jari Syväranta (UEF Connect profile)
Helena Jäntti (UEF Connect profile)
Pyry Pihlasvaara (UEF Connect profile)

UEF Water programme is funded by Saastamoinen foundation, Wihuri foundation and Olvi foundation.

Talven limnologiaa Pohjois-​Karjalassa

(Blogikirjoitus alunperin julkaistu 10.5.2021, osoitteessa https://www.uef.fi/fi/artikkeli/blogi-talven-limnologiaa-pohjois-karjalassa)

Teksti: Carlos Palacín & Helena Jäntti | Kuva: Carlos Palacín

Itä-Suomen yliopiston vesitutkimusohjelmaan kuuluva talvilimnologianryhmä selvittää, miten lämpenevät talvet vaikuttavat havumetsävyöhykkeen järviin. Tämä on ensimmäinen kerta, kun Itä-Suomen järvien pohjasedimenttien mikrobiyhteisöjä tutkitaan käyttämällä keskeisten alkuaineiden stabiileihin isotooppeihin ja molekyylibiologiaan perustuvia menetelmiä. Tutkimuksessa keskitytään mikrobiyhteisöjen rakenteeseen sekä niiden vaikutukseen typen eri muotojen esiintymiseen vedessä ja ilmassa.

Pohjoiset leveysasteet lämpenevät nopeammin kuin eteläisemmät alueet. On tärkeää, että ilmastonmuutoksen järviin kohdistuvat vaikutukset ymmärretään paremmin, jotta alueella voidaan valmistautua ja sopeutua vallitsevaan muutokseen.

Elämää jään alla ymmärretään edelleen huonosti, vaikka jääpeitteinen aika kestää lähes puolet vuodesta. Talvilimnologianryhmän tutkimus tuottaa perustietoa sedimenttien talviaikaisesta mikrobiaktiivisuudesta: järven pohjassa lämpötila on usein lähes sama 4 ˚C ympäri vuoden mutta valaistusolosuhteet ja vesipatsaan koostumus vaihtelevat.

Järvet ovat valuma-alueensa heijastumia. Ennen maaperä jäätyi syksyllä aiemmin ja järvet olivat jääpeitteisenä lokakuusta toukokuun loppupuolelle. Nyt syksyt ovat ilmastonmuutoksen vuoksi pidempiä, vettä sataa enemmän ja järvien jääpeitteinen aika lyhyempi.

Lisääntynyt sademäärä ja lyhentynyt routakausi tarkoittavat, että järviin huuhtoutuu valuma-alueelta enemmän liuennutta ja hiukkasmaista orgaanista ainesta, joka sisältää hiiltä ja ravinteita. Intensiivinen maankäyttö voi entisestään lisätä huuhtoumia. Tämä on johtanut siihen, että jopa Suomen kirkasvetisimmät järvet, kuten Puruvesi, ovat näkyvästi tummuneet.

Veden värin muutosten lisäksi kasvavat huuhtoumat vaikuttavat ravinteiden kiertoon järvissä sekä järvien ja ilmakehän välillä. Alustavat tutkimustulokset osoittavat, että vesiekosysteemit, joita kuormitetaan runsaasti liukoisella orgaanisella aineksella ovat alttiimpia rehevöitymisen kielteisille vaikutuksille, joita ovat mm. syvänteiden happikato ja pahimmillaan pohjasedimenteissä elävien selkärangattomien kuolema.

Ilmastonmuutosennusteiden epävarmuutta lisää se, että tähän mennessä suurin osa ravinnemittauksista on tehty avovesikaudella, eikä talviaikaisen prosessien roolia juuri tunneta. Tämän vuoksi talvilimnologian tiimi on kerännyt näytteitä sekä alku- että lopputalvesta, ja jakanut näytteenoton kirkasvetisille ja tummavetisille alueille, jotka erottuvat selvästi tutkimusjärvillä, Höytiäisellä ja Viinijärvellä.

Kerättyjen näytteiden laboratoriomittaukset kertovat, miten typpiyhdisteiden prosessointi sedimentin mikrobiyhteisöissä muuttuu suhteessa talven vaiheeseen sekä orgaanisen aineen kuormitukseen.

Tutkimusta tehdään yhteistyössä Itä-Suomen yliopiston biogeokemian ja akvaattisen ekologian ryhmien kesken, sekä Jyväskylän yliopiston ja Ruotsin maatalousyliopiston kesken, ja siitä vastaa tutkijatohtori Carlos Palacín. Näytteiden käsittely on parhaillaan käynnissä, ja alustavia tuloksia on odotettavissa syksyn 2021 aikana. Julkaistuja tuloksia voidaan odottaa aikaisintaan alkuvuodesta 2022.

TALVILIMNOLOGIARYHMÄ

Carlos Palacín-Lizarbe (UEF Connect -profiili)
Anssi Vainikka (UEF Connect -profiili)
Raine Kortet (UEF Connect -profiili)
Jari Syväranta (UEF Connect -profiili)
Helena Jäntti (UEF Connect -profiili)
Pyry Pihlasvaara (UEF Connect -profiili)

Vesivarojen kestävä yhteiskäyttö (WATER) -tutkimusohjelmaa ovat tukemassa Saastamoisen säätiö, OLVI-säätiö sekä Jenny ja Antti Wihurin rahasto.