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Climate impact on phytoplankton blooms in shallow lakes

Der Einfluss des Klimas auf Algenblüten in Flachseen

  • Lake ecosystems across the globe have responded to climate warming of recent decades. However, correctly attributing observed changes to altered climatic conditions is complicated by multiple anthropogenic influences on lakes. This thesis contributes to a better understanding of climate impacts on freshwater phytoplankton, which forms the basis of the food chain and decisively influences water quality. The analyses were, for the most part, based on a long-term data set of physical, chemical and biological variables of a shallow, polymictic lake in north-eastern Germany (Müggelsee), which was subject to a simultaneous change in climate and trophic state during the past three decades. Data analysis included constructing a dynamic simulation model, implementing a genetic algorithm to parameterize models, and applying statistical techniques of classification tree and time-series analysis. Model results indicated that climatic factors and trophic state interactively determine the timing of the phytoplankton spring bloom (phenology) inLake ecosystems across the globe have responded to climate warming of recent decades. However, correctly attributing observed changes to altered climatic conditions is complicated by multiple anthropogenic influences on lakes. This thesis contributes to a better understanding of climate impacts on freshwater phytoplankton, which forms the basis of the food chain and decisively influences water quality. The analyses were, for the most part, based on a long-term data set of physical, chemical and biological variables of a shallow, polymictic lake in north-eastern Germany (Müggelsee), which was subject to a simultaneous change in climate and trophic state during the past three decades. Data analysis included constructing a dynamic simulation model, implementing a genetic algorithm to parameterize models, and applying statistical techniques of classification tree and time-series analysis. Model results indicated that climatic factors and trophic state interactively determine the timing of the phytoplankton spring bloom (phenology) in shallow lakes. Under equally mild spring conditions, the phytoplankton spring bloom collapsed earlier under high than under low nutrient availability, due to a switch from a bottom-up driven to a top-down driven collapse. A novel approach to model phenology proved useful to assess the timings of population peaks in an artificially forced zooplankton-phytoplankton system. Mimicking climate warming by lengthening the growing period advanced algal blooms and consequently also peaks in zooplankton abundance. Investigating the reasons for the contrasting development of cyanobacteria during two recent summer heat wave events revealed that anomalously hot weather did not always, as often hypothesized, promote cyanobacteria in the nutrient-rich lake studied. The seasonal timing and duration of heat waves determined whether critical thresholds of thermal stratification, decisive for cyanobacterial bloom formation, were crossed. In addition, the temporal patterns of heat wave events influenced the summer abundance of some zooplankton species, which as predators may serve as a buffer by suppressing phytoplankton bloom formation. This thesis adds to the growing body of evidence that lake ecosystems have strongly responded to climatic changes of recent decades. It reaches beyond many previous studies of climate impacts on lakes by focusing on underlying mechanisms and explicitly considering multiple environmental changes. Key findings show that climate impacts are more severe in nutrient-rich than in nutrient-poor lakes. Hence, to develop lake management plans for the future, limnologists need to seek a comprehensive, mechanistic understanding of overlapping effects of the multi-faceted human footprint on aquatic ecosystems.show moreshow less
  • Weltweit haben Seeökosysteme auf den Klimawandel der letzten Jahrzehnte reagiert. Beobachtete Veränderungen eindeutig dem Klimawandel zuzuordnen, wird jedoch häufig dadurch erschwert, dass Seen gleichzeitig vielfachen anthropogenen Einflüssen ausgesetzt sind. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des Klimaeinflusses auf Algen bei, die am Anfang der Nahrungskette stehen und maßgeblich die Wasserqualität eines Sees beeinflussen können. Zum größten Teil stützt sich die Arbeit auf eine dreißigjährige Datenreihe eines unregelmäßig geschichteten Flachsees im Nordosten von Deutschland (Müggelsee), in dem sowohl steigende Wassertemperaturen als auch sinkende Nährstoffeinträge zu verzeichnen waren. Bei der Datenanalyse wurde ein neu erstelltes dynamisches Simulationsmodell, genetische Algorithmen zur Parametrisierung von Modellen, und statistische Methoden der Klassifizierung und Zeitreihenanalyse genutzt. Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass nicht nur klimatische Faktoren sondern auch die Nährstoffverfügbarkeit im See denWeltweit haben Seeökosysteme auf den Klimawandel der letzten Jahrzehnte reagiert. Beobachtete Veränderungen eindeutig dem Klimawandel zuzuordnen, wird jedoch häufig dadurch erschwert, dass Seen gleichzeitig vielfachen anthropogenen Einflüssen ausgesetzt sind. Diese Arbeit trägt zu einem besseren Verständnis des Klimaeinflusses auf Algen bei, die am Anfang der Nahrungskette stehen und maßgeblich die Wasserqualität eines Sees beeinflussen können. Zum größten Teil stützt sich die Arbeit auf eine dreißigjährige Datenreihe eines unregelmäßig geschichteten Flachsees im Nordosten von Deutschland (Müggelsee), in dem sowohl steigende Wassertemperaturen als auch sinkende Nährstoffeinträge zu verzeichnen waren. Bei der Datenanalyse wurde ein neu erstelltes dynamisches Simulationsmodell, genetische Algorithmen zur Parametrisierung von Modellen, und statistische Methoden der Klassifizierung und Zeitreihenanalyse genutzt. Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass nicht nur klimatische Faktoren sondern auch die Nährstoffverfügbarkeit im See den Zeitpunkt der Algenfrühjahrsblüte (Phänologie) beeinflussen. Durch eine Veränderung der Mechanismen, die zum Kollaps der Blüte führen, trat diese trotz ähnlich milder Winterbedingungen bei hoher Nährstoffverfügbarkeit früher auf als bei niedriger. Ein neuentwickelter Ansatz zur Modellierung von Phänologie erwies sich als geeignet, um vorherzusagen, wann Algen und ihre Räuber in einem künstlich periodisch angetriebenen Laborsystem ihre Populationshöhepunkte erreichten. Eine Verlängerung der Wachstumsperiode führte dazu, dass diese früher auftraten. Die Untersuchung, warum sich Blaualgen im betrachteten See während jüngster Hitzewellenereignisse überraschend unterschiedlich entwickelt hatten, ergab, dass ungewöhnlich warmes Wetter nicht wie häufig vermutet generell förderlich für ihre Entwicklung ist. Der Zeitpunkt und die Dauer der Hitzewellen waren entscheidend dafür, ob für Blaualgen kritische Schwellenwerte der thermischen Schichtung im See überschritten wurden. Zudem zeigte sich, dass saisonale Erwärmungsmuster einen bedeutenden Einfluss auf Räuber nahmen, die das Auftreten von Algenblüten verhindern können. Diese Arbeit reiht sich in eine wachsende Anzahl von Studien ein, die zeigen, dass Seeökosysteme bereits stark auf die Klimaveränderungen der letzen Jahrzehnte reagiert haben. Mit ihrem Fokus auf Mechanismen und der expliziten Berücksichtigung simultaner anthropogener Einflüsse geht diese Arbeit gleichzeitig über viele bisherige Studien hinaus, die sich auf reine Beobachtung und die Betrachtung klimatischer Faktoren beschränkten. Kernergebnisse deuten daraufhin, dass Klimafolgen in nährstoffreichen Seen stärker ausfallen als in nährstoffarmen Seen. Nur mit einem umfassenden, mechanistischen Verständnis des vielfältigen anthropogenen Einflusses wird eine hohe Wasserqualität in Seen auch in Zukunft aufrechtzuerhalten sein.show moreshow less

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Metadaten
Author:Veronika Emilie Charlotte Huber
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-42346
Advisor:Ursula Gaedke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2010
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2010/04/13
Release Date:2010/05/28
Tag:Gewässer; Klimawandel; Modellierung; Phytoplankton; Phänologie
climate change; freshwater; modelling; phenology; phytoplankton
RVK - Regensburg Classification:WI 1500
RVK - Regensburg Classification:WI 4800
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Biochemie und Biologie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht
Notes extern:Parts of the thesis are published at:
chapter 1: Limnology and Oceanography, 53 (1): 1-13
chapter 2: Ecology 90 (11): 3099-3107 chapter 4 (revised version): Freshwater Biology:
DOI: 10.1111/j.1365-2427.2010.02411.x