Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

According to the EU Water Framework Directive, phytoplankton should be included for assessment of the ecological status of lakes. Phytoplankton respond rapidly to environmental changes and are a particularly good indicator of nutrient loads. In this large-scale study, it was examined whether the properties in the catchment area can be used to explain the variation of phytoplankton and total phosphorus (TP) in lakes. A large number of variables were investigated through statistical analysis, in particular if the already established linear relationship between phytoplankton and TP in lakes can be improved.

The study used measured values for total biovolume phytoplankton (tot bio), Plankton Trophic Index (PTI) and TP for 487 lakes (represented by 523 waterbodies) in south of Sweden. The lakes associated catchment properties were calculated and analysed through various Geographical Information System (GIS) tools. Each catchment was described regarding land use, soil properties (texture and chemistry), soil distribution, climate and lake properties. In total 59 variables produced with GIS were evaluated from available map data and national soil surveys together with 34 lake variables. All variables were used in Principal Components Analysis (PCA) whereas the 59 catchment variables together with some lake variables were used for other analysis. For each dependent variable (tot bio, PTI and TP) several statistical models were created, and important catchment variables were identified using Partial Least Squares (PLS) analysis. Important variables identified in PLS were then included in multiple regressions.

Result shows that the share of agricultural land in the catchment area is positively correlated with phytoplankton (tot bio and PTI) and TP. For phytoplankton models without TP as explanatory variable, a few catchment variables could explain variation of PTI up to 48 % while tot bio could be explained to a lower extent (33 %). The degree of explanation and variables included differed depending on selected statistical model. While TP alone was the strongest explaining variable for both tot bio (66 %) and PTI (56 %). However, TP together with the share of agricultural land significantly improved the explanation of PTI to 65 %. For the lake TP, catchment properties could statistically explain 55 % of the variation in the TP concentration. In summary, TP was shown to correlate positively with specific soil properties of both non-agricultural and agricultural areas of studied catchments. Higher TP concentration could also be expected in lakes with larger share of agricultural land and urban area and smaller water body area. The results also show that catchment properties derived from continuous map data had a higher explanation of the studied lakes’ tot bio, PTI and TP compared to result from field sample point data collected in national soil surveys.

The relationship between catchment properties and water quality is important to understand and catchment properties can help to describe the lake phytoplankton and phosphorus levels, which then should be taken into account when developing assessment criteria for lakes.

Enligt EU:s vattendirektiv ska växtplankton inkluderas vid bedömningar av sjöars ekologiska status. Växtplankton reagerar snabbt på miljöförändringar och ger särskilt bra indikation på näringsbelastning. I denna storskaliga studie undersöktes om egenskaper i avrinningsområdet kan användas för att förklara sjöars växtplankton och totalfosfor (TP). Genom statistisk analys av ett stort antal variabler testades också om förklaringsgraden av det redan kända linjära sambandet mellan växtplankton och TP i sjöar kan förbättras.

I studien användes uppmätta värden av växtplanktons totala biovolym (tot bio), planktontrofiskt index (PTI) och TP för 487 sjöar (sammantaget 523 vattenförekomster) i södra Sverige. Sjöarnas tillhörande egenskaper i avrinningsområdet togs fram och analyserades genom olika Geografisk Informations System (GIS) verktyg. Varje avrinningsområde beskrevs utifrån dess markanvändning, markegenskaper (textur och kemi), jordartsfördelning, klimat och sjöegenskaper. Sammanlagt utvärderades 59 variabler framtagna med GIS från befintliga kartdata och nationella markundersökningar tillsammans med 34 sjövariabler. Alla variabler användes vid principalkomponentanalys (PCA) och för övrig statistisk analys användes de 59 avrinningsområdes variablerna tillsammans med några sjövariabler. Flera statistiska modeller skapades för varje beroende variabel (tot bio, PTI och TP) där viktiga avrinningsområdes variabler identifierades med hjälp av Partial Least Squares (PLS) analys. De viktigaste variablerna från PLS analysen användes sedan i multipla regressioner för att ta fram statistiskt signifikanta förklarande variabler för variationen hos växtplankton och TP.

Andel jordbruksmark i avrinningsområdet visade ett positivt samband till växtplankton (tot bio and PTI) och TP. Ett fåtal avrinningsområdes variabler kunde tillsammans utan TP förklara variationen av PTI upp till 48 % medan tot bio kunde förklaras till en lägre grad (33 %). Beroende på vald statistisk modell, skiljde sig förklaringsgrad och de ingående variablerna delvis åt. Det bör nämnas att det linjära sambandet mellan TP och växtplankton var mycket starkt och förklarade variationen hos tot bio till 66 % och PTI till 56 %. TP tillsammans med andelen jordbruksmark i avrinningsområdet gav dock en signifikant ökad förklaringsgrad av PTI (65 %). För sjöarnas TP kunde egenskaperna i avrinningsområdet statistiskt förklara 55 % av variationerna i halterna. Sammanfattningsvis visade TP positivt samband till vissa markegenskaper på så väl jordbruksmark som övrig mark för de studerade sjöarnas avrinningsområden. Höga halter av TP förväntas även i sjöar med hög andel jordbruksmark och tätort. Sjöar med mindre yta på vattenförekomsten förväntas också ha högre TP. Studiens resultat visar även att egenskaper i avrinningsområdet framtagna från kartdata hade en högre förklaringsgrad för de studerade sjöarnas tot bio, PTI och TP jämfört med resultat från provpunktsdata som samlades inom de nationella markundersökningarna.

Slutsatsen från denna studie är att sambandet mellan land och vatten är viktigt att förstå för att kunna beskriva en sjös fosfornivåer och växtplankton, vilket bör tas i beaktan vid utveckling av bedömningsgrunder för sjöar.