Tilbake til søkeresultatene

MILJØFORSK-Miljøforskning for en grønn samfunnsomstilling

Lakes in Transition: a Biogeochemical Modelling Approach

Alternativ tittel: Innsjøer i endring

Tildelt: kr 2,9 mill.

Overholdelse av vannkvalitetsforskrifter verden over er avhengig av vår evne til å forbedre vannkvaliteten og hindre ytterligere forverring. Vanligvis vurderes tiltak i nedbørsfelt og restaurering av innsjøer ved å se på endringer i økologiske indikatorer, slik som algeoppblomstring eller fiskebestander. Opp gjennom årene har forvaltere og forskere sett at disse indikatorene oppfører seg uforutsigbart, selv om tiltakene pågår over tid, og dermed er resultatene etter tiltak i mange tilfeller uklare. Konteksten for dette prosjektet er spørsmålet: Fungerer tiltak for forbedring av vannkvaliteten i innsjøer etter hensikten? «Lakes in Transition» har arbeidet for å løse tvetydigheten som eksisterer mellom tiltak og effekt. Vår hypotese er at biogeokjemiske sykluser kan kartlegges og brukes som grunnlag for tiltak. Funnene i vårt prosjekt har tettet noen kunnskapshull for hvordan disse syklusene er koblet sammen i innsjøer, og deres motstandsdyktighet mot eksterne faktorer. Siden begynnelsen av prosjektet har vi videreutviklet den prosessbaserte innsjømodellen, MyLake, som ble utviklet ved NIVA i 2005-2007, og som har blitt tatt i bruk på verdensbasis siden den gang for å forutse isdannelse, vanntemperatur, algebiomasse og innsjøers reaksjon på klimaendringer. I «Lakes in Transition» har vi oppdatert MyLake slik at den både kan simulere biogeokjemiske sykluser i innsjøer og interaksjoner mellom sedimenter og vann. Gjennom 10 fagfellevurderte publikasjoner har vi forbedret modellen slik at den kan fange opp transformasjoner av karbon, oksygen, fosfor, nitrogen, jern, svovel og spormetaller i boreale innsjøer. Vi har kartlagt tersklene i de biogeokjemiske syklusene med de nyutviklede verktøyene, samt metoden «response-flater». Ettersom vi allerede har kartlagt syklusers respons på eksterne drivere, kunne vi undersøke modellenes oppførsel når de forsøker å reprodusere tersklene, hvilket åpnet dører for videre forskning. Vi testet hvilke begrensninger som foreligger når økologiske teorier skal testes ut i praksis. Nærmere bestemt, brukte vi den statistiske funksjonen «flickering». Når det nærmer seg et regimeskifte i innsjøen, oppstår raske svingninger mellom to statuser, det vil si den tidligere og fremtidige statusen. Disse svingningene kalles «flickering» på fagspråket. Ifølge økologisk teori vil svingningene være forskjellig før og etter et regimeskifte. Våre resultater viste at data fra overvåkningsprogram ikke var egnet for å finne slike svingninger. Årsaken var den lave frekvensen for datainnsamling ved overvåkningsprogrammer, kombinert med modellens usikkerhet og støy fra vær. Nyere tidsserier av høyfrekvent data fra sensorer er lovende, men teknologien er forholdsvis ny, noe som gjør at tidsseriene går over for kort tid til å kunne undersøke regimeskifter. Den nye versjonen av MyLake har blitt benyttet i både anvendt og grunnleggende forskning, og viser lovende resultater. Dette førte til flere publikasjoner i internasjonalt anerkjente tidsskrifter. Vi har blant annet undersøkt effekten av svovelavsetning og karbonkonsentrasjoner på innsjøprosesser. Resultatene viser at syreavsetning har forandret kjemien i sedimenter i innsjøer, noe som har ført til at sedimentene har blitt en kilde til svovel i vannsøylen. Dette har implikasjoner for lagring av fosfor i sedimenter, fordi svovel reduserer jern i mineraler som fosfor er festet til, og dermed frigjør fosfor til overliggende vann. Vi har demonstrert at klimaendringer forbedrer oksygenforholdene i boreale innsjøer, ettersom innsjøene dekkes av is i en kortere tidsperiode enn tidligere, og dermed får innsjøen tilgang til oksygen tidligere enn før. Klimaendringene vil få andre effekter i Estland, hvor de vil føre til endringer i den økologiske balansen som favoriserer vekst i potensielt skadelige blågrønne alger, hvilket kan føre til anoksiske bunnvann i innsjøer. Vårt arbeid ved Vansjø viser at god forvaltning av elvebasseng og innsjøer fortsatt er en gunstig strategi for å unngå skadelige effekter av klimaendringer. Alt tatt i betraktning, viser disse eksemplene at det er mulig å studere effekten av flere ulike, men samtidig pågående, stressfaktorer (kort sagt, konseptet «samlet belastning») på de biogeokjemiske syklusene i innsjøer. «Lakes in Transition» avsluttes i 2018. Prosjektet har banet vei for en bedre forståelse av innsjøers respons på endringer i klima og arealbruk, og samtidig styrket bidraget til klimaforskningen. Modellen er et lovende verktøy for videre forskning på innsjøers bidrag til klimatilbakekobling, gjennom deres rolle i karbonsyklusen. Prosjektets formål var å tette kunnskapshullene for hvordan biogeokjemiske sykluser er koblet sammen og hvordan innsjøer påvirkes av eksterne faktorer, for å forbedre forvaltningen i nedbørsfeltene. Fremdriften vi har hatt gjør at vi nå kan bruke modellen for å planlegge tiltak bedre, for eksempel kontrollere eutrofiering ved å endre konsentrasjonen av aluminium.

Lakes in Transition has allowed the field of lake modeling to progress significantly. Previous investment made in the MyLake code were leveraged and led knowledge generation, new tools, and international collaborations. Specifically, Lakes in Transition has led to 10 peer-reviewed publications on the response of coupled biogeochemical cycles in lakes and lake sediments. It has also lead to a comprehensive state-of-the-art code base on lake modelling, publicly available on GitHub. 61 researchers worldwide have requested access the code base so far. The updated model has been instrumental in leveraging other projects with funding external to Norway, totaling 8 M NOK in funds from FORMAS (Sweden), JPI (Water-JPI PROGNOS, EU evel) and ERA-Net (WateXr, EU level).

Timely compliance with the European Water Framework Directive hinges on our collective ability to improve lake water quality and prevent further deterioration. The success of recent efforts to implement remediation measures in catchments, or perform lake geoengineering, has been evaluated based on the response of ecological indicators, such as algal blooms or fish populations. Based on these indicators, the outcomes of management actions are unclear, that is, managers and scientist alike have witnessed that indicators have behaved in unpredictable ways over the years, despite sustained measures. The context of this project is set by the question: Do lake remediation measures work? We propose a research project to resolve this ambiguity. Ecological theory informs that the seemingly unpredictable behavior of the ecological indicator is a sign that the lake systems are undergoing regime-shifts, and that it can be averted. This behavior is known as flickering, and is an early warning sign. We hypothesize that flickering is underpinned by critical factors in the biogeochemical cycles. We will use novel biogeochemical modelling techniques and recent advances in tipping-point theories to provide lake managers with targeted, precise measures to tip flickering systems towards good quality status. This project, led by a young researcher, targets our knowledge gaps in the critical factor of limnic biogeochemical cycles. For effective management of lakes and reservoir, the interactions and feedbacks in biogeochemical cycles, and their impact in biological indicators, will be thoroughly explored. We will build on our expertise in the development and use of mechanistic models for lakes, and adopt novel model analysis techniques. Our goals are to: 1) with the help of models, 2) understand site-specific biogeochemical factors causing regime shifts, and 3) identify the underlying biogeochemical cause of flickering before impending regime-shifts, and use it as an early warning.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

MILJØFORSK-Miljøforskning for en grønn samfunnsomstilling