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Ecosystems are generally linked via fluxes of nutrients and energy across their boundaries. For example, freshwater ecosystems in temperate regions may receive significant inputs of terrestrially derived carbon via autumnal leaf litter. This terrestrial particulate organic carbon (POC) is hypothesized to subsidize animal production in lakes, but direct evidence is still lacking. We divided two small eutrophic lakes each into two sections and added isotopically distinct maize litter to the treatment sections to simulate increased terrestrial POC inputs via leaf litter in autumn. We quantified the reliance of aquatic consumers on terrestrial resources (allochthony) in the year subsequent to POC additions by applying mixing models of stable isotopes. We also estimated lake-wide carbon (C) balances to calculate the C flow to the production of the major aquatic consumer groups: benthic macroinvertebrates, crustacean zooplankton, and fish. The sum of secondary production of crustaceans and benthic macroinvertebrates supported by terrestrial POC was higher in the treatment sections of both lakes. In contrast, total secondary and tertiary production (supported by both autochthonous and allochthonous C) was higher in the reference than in the treatment sections of both lakes. Average aquatic consumer allochthony per lake section was 27-40%, although terrestrial POC contributed less than about 10% to total organic C supply to the lakes. The production of aquatic consumers incorporated less than 5% of the total organic C supply in both lakes, indicating a low ecological efficiency. We suggest that the consumption of terrestrial POC by aquatic consumers facilitates a strong coupling with the terrestrial environment. However, the high autochthonous production and the large pool of autochthonous detritus in these nutrient-rich lakes make terrestrial POC quantitatively unimportant for the C flows within food webs.
Veränderungen im thermalen Regime des Permafrosts verursachen Störungen der Erdoberfläche. Diese Veränderungen werden durch die in der Arktis seit Jahrzehnten ansteigenden Temperaturen verstärkt. Thermokarst ist ein Prozess, welcher die Erdoberfläche durch Schmelzen von Grundeis, oder Auftauen von Permafrost absacken lässt, wodurch charakteristische Landformen entstehen. Thermokarst ist vor allem entlang von Hängen weit verbreitet und die Anzahl der damit verbundenen Landformen in der Arktis steigt stetig an. Dieser Prozess mobilisiert große Mengen an Material, welche in Richtung Meer transportiert oder entlang von Hängen akkumuliert werden. Während entlang von Hängen auftretender Thermokarst terrestrische sowie aquatische Ökosysteme stark verändert, ist dessen Einfluss auf regionaler Skala zurzeit noch Gegenstand der Forschung.
In dieser Arbeit quantifizieren wir die Auswirkungen von Thermokarstprozessen entlang von Hängen auf die umliegenden Ökosysteme der küstennahen Täler und Nahküstenbereiche entlang der Yukon Küste in Kanada. Mittels überwachtem maschinellen Lernen haben wir geomorphische Faktoren identifiziert, welche die Entwicklung von retrogressiven Auftaurutschungen (RTS) begünstigen. RTS sind eine Erscheinungsform von Thermokarst entlang von Hängen. Die Küstengeomorphologie, sowie der Grundeistyp und -inhalt sind die wesentlichen bestimmenden Faktoren für das Auftreten von RTS. Wir haben Luftbildaufnahmen und Satellitenbilder genutzt, um die Evolution von RTS im Zeitraum von 1952 bis 2011 zu verfolgen. Während dieser Zeit ist die Anzahl und Ausdehnung von RTS linear angestiegen. Wir zeigen, dass 56% der RTS welche entlang der Küste in 2011 identifiziert wurden, 16.6 × 106 m3 an Material erodiert haben. Hiervon wurden 45% durch Küstenprozesse entlang der Küste transportiert. RTS tragen wesentlich zu dem Kohlenstoff-Budget des Nahküstenbereiches bei: 17% der in 2011 identifizierten RTS, haben 0.6% des organischen Kohlenstoffes transportiert, welcher durch Küstenerosion entlang der Yukon Küste jährlich freigesetzt wird. Um den Einfluss von Thermokarst entlang von Hängen auf das terrestrische Ökosystem zu beurteilen, haben wir die räumliche Verteilung von organischem Bodenkohlenstoff und Stickstoff (SOC, TN) entlang von Hangprofilen in drei arktischen Tälern analysiert.Wir weisen auf eine hohe räumliche Variabilität in der Verteilung von SOC und TN hin, welche auf komplexe Bodenprozesse zurückzuführen ist, welche entlang von Hängen auftreten. Thermokarst entlang von Hängen hat einen großen Einfluss auf die Degradierung von organischem Material und die Speicherung von SOC und TN.
In food webs, herbivores are often constrained by low food quality in terms of mineral and biochemical limitations, which in aquatic ecosystems can co-occur with limited oxygen conditions. As low food quality implies that carbon (C) is available in excess, and therefore a regulation to get rid of excess C is crucial for the performance of consumers, we examined the C pathways (ingestion, feces release, excretion, and respiration) of a planktonic key herbivore (Daphnia magna). We tested whether consumer C pathways increase due to mineral (phosphorus, P) or biochemical (cholesterol and fatty acid) limitations and how these regulations vary when in addition oxygen is low. Under such conditions, at least the capability of the upregulation of respiration may be restricted. Furthermore, we discussed the potential role of the oxygen-transporting protein hemoglobin (Hb) in the regulation of C budgets. Different food quality constraints led to certain C regulation patterns to increase the removal of excess dietary C: P-limited D. magna increased excretion and respiration, while cholesterol-limited Daphnia in addition upregulated the release of feces. In contrast, the regulative effort was low and only feces release increased when D. magna was limited by a long-chain polyunsaturated fatty acid (eicosapentaenoic acid, EPA). Co-limiting oxygen did not always impact the discharge of excess C. We found the food-quality-induced upregulation of respiration was still present at low oxygen. In contrast, higher excretion of excess C was diminished at low oxygen supply. Besides the effect that the Hb concentration increased under low oxygen, our results indicate a low food-quality-induced increase in the Hb content of the animals. Overall, C budgeting is phenotypically plastic towards different (co-) limiting scenarios. These trigger specific regulation responses that could be the result of evolutionary adaptations.