Sediment resuspension as a water quality regulator in lakes

Sediment resuspension, the return of the bottom material into the water column, is an important process that can have various effects on a lake ecosystem. Resuspension caused by wind-induced wave disturbance, currents, turbulent fluctuations and bioturbation affects water quality characteristics such as turbidity, light conditions, and concentrations of suspended solids (SS) and nutrients. Resuspension-mediated increase in turbidity may favour the dominance of phytoplankton over macrophytes. The predator-prey interactions contributing to the trophic state of a lake may also be influenced by increasing turbidity. Directly, the trophic state of a lake can be influenced by the effect of sediment resuspension on nutrient cycling. Resuspension enhances especially the cycling of phosphorus by bringing the sedimentary nutrients back into the water column and may thereby induce switches between phosphorus and nitrogen limitation. The contribution of sediment resuspension to gross sedimentation, turbidity, and concentration of SS and nutrients was studied in a small, deep lake as well as in a multibasin lake with deep and shallow areas. The effect of ice cover on sediment resuspension and thereby on phosphorus concentrations was also studied. The rates of gross sedimentation and resuspen¬sion were estimated with sediment traps and the associations between SS and nutrients were considered. Sediment resuspension, caused by wind activity, comprised most of the gross sedimenta¬tion and strongly contributed to the concentration of SS and turbidity in the lakes studied. Additionally, via the influence on SS, resuspension affected the concentration of total phosphorus (TP) and soluble reactive phosphorus (SRP), as well as the total nitrogen to total phosphorus (TN:TP) ratio. Although contrasting results concerning the dependence between the SS and SRP concentrations were observed, it could be concluded that sediment resuspension during strong algal blooms (pH > 9) led to aerobic release of P. The main findings of this thesis were that in the course of the growing season, sediment resuspension coupled with phytoplankton succession led to liberation of P from resuspended particles, which in turn resulted in high TP concentrations and low TN:TP ratios. This development was likely a cause of strong cyanobacterial blooms in midsummer.

Järven pohjaan laskeutunut aines, pohjasedimentti, voi sekoittua uudelleen vesimassaan aallokon, erilaisten virtausten ja eliöiden (kalat, pohjaeläimet) vaikutuksesta. Ilmiöllä, jota kutustaan sedimentin resuspendoitumiseksi, voi olla merkittäviä vaikutuksia järviekosysteemiin. Sedimentin sekoittuminen vesimassaan vaikuttaa esimerkiksi veden ravinnepitoisuuksiin sekä kiintoainepitoisuuden ja sameuden nousun kautta valaistusolosuhteisiin. Valaistusolosuhteiden muuttuminen saattaa johtaa leväbiomassan lisääntymiseen vesikasvillisuuden kustannuksella. Myös näön perusteella saalistavien eliöiden ravinnonhankinta voi vaikeutua sameuden kasvaessa. Sedimentin resuspensio vaikuttaa usein myös vesistöjen tärkeän perusravinteen, fosforin kiertoon ja sillä on näin ollen rehevöitymistä edistävä vaikutus. Tämän väitöskirjan osajulkaisuissa tutkittiin kahden eri järven sedimentaatiota (aineksen laskeutumista vesipatsaassa) sekä sedimentin resuspension vaikutusta jär¬vien veden sameuteen, kiintoainepitoisuuteen ja ravinnepitoisuuksiin. Yhdessä osajulkaisussa tutkittiin myös jääpeitteen vaikutusta resuspensioon ja järven fosforipitoisuuksiin. Tutkimusten mukaan suurin osa järvien sedimentaatiosta muodostui sedimentin resuspensiosta. Resuspensiolla oli myös selkeä vaikutus järvien kiintoainepitoisuuksiin ja sameuteen. Kiintoainepitoisuuksien nousu vaikutti lisäksi voimakkaasti ravinnepitoisuuksiin (fosfori, typpi, typpi:fosfori-suhde). Tutkimuksen merkittävin tulos oli, että sedimentin sekoittuessa vesipatsaaseen matalassa ja rehevässä järvessä voimakkaiden leväkukintojen aikaan, sedimenttipartikkeleista vapautui fosforia levien käyttöön. Tämä nosti veden kokonaisfosforipitoisuuksia ja laski typpi:fosfori-suhdetta. Kyseinen kehityskulku oli todennäköisesti keskikesällä havaittujen runsaiden sinileväkukintojen syy. Tutkimuksen tulokset osoittavat myös, että matalassa tuulille alttiissa järvessä sedimentin resuspension aiheuttama ravinnekuormitus voi olla monikertainen ulkoiseen kuormitukseen (jokien tuomat ravinteet) nähden. Toisaalta vähäinenkin ulkoinen kuormitus on tällaisissa järvissä merkittävää, koska kerran järveen joutuneet ravinteet jäävät voimakkaan resuspension johdosta pitkäksi aikaa biologiseen kiertoon.