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A large number and wide variety of lake ecosystem models have been developed and published during the past four decades. We identify two challenges for making further progress in this field. One such challenge is to avoid developing more models largely following the concept of others ('reinventing the wheel'). The other challenge is to avoid focusing on only one type of model, while ignoring new and diverse approaches that have become available ('having tunnel vision'). In this paper, we aim at improving the awareness of existing models and knowledge of concurrent approaches in lake ecosystem modelling, without covering all possible model tools and avenues. First, we present a broad variety of modelling approaches. To illustrate these approaches, we give brief descriptions of rather arbitrarily selected sets of specific models. We deal with static models (steady state and regression models), complex dynamic models (CAEDYM, CE-QUAL-W2, Delft 3D-ECO, LakeMab, LakeWeb, MyLake, PCLake, PROTECH, SALMO), structurally dynamic models and minimal dynamic models. We also discuss a group of approaches that could all be classified as individual based: super-individual models (Piscator, Charisma), physiologically structured models, stage-structured models and traitbased models. We briefly mention genetic algorithms, neural networks, Kalman filters and fuzzy logic. Thereafter, we zoom in, as an in-depth example, on the multi-decadal development and application of the lake ecosystem model PCLake and related models (PCLake Metamodel, Lake Shira Model, IPH-TRIM3D-PCLake). In the discussion, we argue that while the historical development of each approach and model is understandable given its 'leading principle', there are many opportunities for combining approaches. We take the point of view that a single 'right' approach does not exist and should not be strived for. Instead, multiple modelling approaches, applied concurrently to a given problem, can help develop an integrative view on the functioning of lake ecosystems. We end with a set of specific recommendations that may be of help in the further development of lake ecosystem models.
We analyzed chlorophyll-a and Colored Dissolved Organic Matter (CDOM) dynamics from field measurements and assessed the potential of multispectral satellite data for retrieving water-quality parameters in three small surface reservoirs in the Brazilian semiarid region. More specifically, this work is comprised of: (i) analysis of Chl-a and trophic dynamics; (ii) characterization of CDOM; (iii) estimation of Chl-a and CDOM from OLI/Landsat-8 and RapidEye imagery. The monitoring lasted 20 months within a multi-year drought, which contributed to water-quality deterioration. Chl-a and trophic state analysis showed a highly eutrophic status for the perennial reservoir during the entire study period, while the non-perennial reservoirs ranged from oligotrophic to eutrophic, with changes associated with the first events of the rainy season. CDOM characterization suggests that the perennial reservoir is mostly influenced by autochthonous sources, while allochthonous sources dominate the non-perennial ones. Spectral-group classification assigned the perennial reservoir as a CDOM-moderate and highly eutrophic reservoir, whereas the non-perennial ones were assigned as CDOM-rich and oligotrophic-dystrophic reservoirs. The remote sensing initiative was partially successful: the Chl-a was best modelled using RapidEye for the perennial one; whereas CDOM performed best with Landsat-8 for non-perennial reservoirs. This investigation showed potential for retrieving water quality parameters in dry areas with small reservoirs.
Waldökosysteme unterliegen vielfältigen Einflüssen wie forstlicher Bewirtschaftung, Stickstoffdeposition, Veränderung des Grundwasserspiegels oder der Einwanderung invasiver Arten. Die Wiederholung historischer Vegetationsaufnahmen ist ein wichtiges Mittel, um Veränderungen der Pflanzengesellschaften zu dokumentieren und mögliche Hauptursachen (Treiber) zu bestimmen. Wir haben 2015 den Vegetationswandel auf 140 semi-permanenten Plots in Wirtschaftswäldern der Elbtalniederung im Nordostdeutschen Tiefland (Sachsen-Anhalt, Brandenburg) untersucht. Die Erstaufnahme erfolgte von 1956 bis 1963. Die Vegetationsaufnahmen decken ein fast einzigartig breites Spektrum unterschiedlicher Waldstandorte ab, das von Feuchtwäldern (Au-, Bruch- und Moorwäldern des Alnion incanae, Alnion glutinosae und Betulion pubescentis) über bodensaure Eichen-Mischwälder (Quercion roboris) bis hin zu bodensauren, meist trockenen Kiefernwäldern mit unterschiedlicher Nährstoffausstattung (Dicrano-Pinion) reicht.
Die Veränderungen der Vegetation haben wir mit Hilfe von Bestandesdaten, Gewinner- und Verliererarten, der α- und β -Diversität sowie der Ellenberg-Zeigerwerte für Stickstoff, Reaktion, Feuchte und Licht analysiert. Dabei wurden, anders als in den meisten bisherigen Wiederholungsuntersuchungen, auch Flächen berücksichtigt, auf denen bis zur Zweitaufnahme ein vollständiger Bestandeswechsel stattgefunden hatte.
Insbesondere in den Feuchtwäldern und den bodensauren Wäldern mit mäßig guter Nährstoffversorgung sind Wechsel der Hauptbaumarten zu verzeichnen; außerdem wurden viele Kiefernbestände zwischenzeitlich neu begründet. Die Artenzahl hat insgesamt und in fast allen Waldtypen abgenommen, die β-Diversität ist jedoch unverändert geblieben bzw. hat sich erhöht. Die Zeigerwerte deuten auf eine Abnahme der Bodenfeuchte in den Au-, Bruch-, und Moorwäldern hin, während insbesondere die bodensauren Kiefernwälder dunkler, nährstoffreicher und feuchter geworden sind. Die Anzahl der Verlierer-Arten ist mehr als doppelt so hoch wie die der Gewinner-Arten, jedoch mit unterschiedlicher Entwicklung in den einzelnen Waldtypen. Insbesondere die nassen und feuchten Wälder, die bodensauren Eichen-Mischwälder und die Flechten-Kiefernwälder haben die meisten ihrer charakteristischen Arten verloren.
Veränderungen der Vegetation in den Feuchtwäldern gehen v. a. auf lokal gesunkene Grundwasserspiegel und eine dadurch gestiegene Nährstoffverfügbarkeit zurück; die Artenzusammensetzung der Auwälder wurde zudem sehr stark durch forstliche Eingriffe beeinflusst. Ursachen für den Trend zu feuchteren und nährstoffreicheren Bedingungen in ehemals trockenen bodensauren Kiefern- und Eichenwäldern sind Stickstoffeinträge sowie eine Sukzession nach Aufgabe historischer Waldnutzungs-formen (Streunutzung, Waldweide). Obwohl sich die einzelnen Waldtypen unterschiedlich entwickelt haben, sind Eutrophierung, sinkende Grundwasserspiegel und Waldbaumaßnahmen insgesamt die wichtigsten Ursachen für die beobachteten Vegetationsveränderungen. Forstliche Eingriffe wie Kahlschlag und Bestandesumbau mit Baumartenwechsel sind zugleich die Hauptursache dafür, dass es trotz Nivellierung des Standortsgradienten, gemessen an der β-Diversität, nicht zu einer Homogenisierung der Vegetation gekommen ist.
Deforestation is currently a widespread phenomenon and a growing environmental concern in the era of rapid climate change.
In temperate regions, it is challenging to quantify the impacts of deforestation on the catchment dynamics and downstream aquatic ecosystems such as reservoirs and disentangle these from direct climate change impacts, let alone project future changes to inform management.
Here, we tackled this issue by investigating a unique catchment-reservoir system with two reservoirs in distinct trophic states (meso- and eutrophic), both of which drain into the largest drinking water reservoir in Germany.
Due to the prolonged droughts in 2015-2018, the catchment of the mesotrophic reservoir lost an unprecedented area of forest (exponential increase since 2015 and ca. 17.1% loss in 2020 alone).
We coupled catchment nutrient exports (HYPE) and reservoir ecosystem dynamics (GOTM-WET) models using a process-based modeling approach. The coupled model was validated with datasets spanning periods of rapid deforestation, which makes our future projections highly robust.
Results show that in a short-term time scale (by 2035), increasing nutrient flux from the catchment due to vast deforestation (80% loss) can turn the mesotrophic reservoir into a eutrophic state as its counterpart.
Our results emphasize the more prominent impacts of deforestation than the direct impact of climate warming in impairment of water quality and ecological services to downstream aquatic ecosystems. Therefore, we propose to evaluate the impact of climate change on temperate reservoirs by incorporating a time scale-dependent context, highlighting the indirect impact of deforestation in the short-term scale. In the long-term scale (e.g. to 2100), a guiding hypothesis for future research may be that indirect effects (e.g., as mediated by catchment dynamics) are as important as the direct effects of climate warming on aquatic ecosystems.