Research Paper

Long-term changes of water physicochemical conditions and benthic microbial processes in a small lake associated with land use in the catchment

Changements à long terme des conditions physico-chimiques de l'eau et des processus microbiens benthiques dans un petit lac associés à l'utilisation des terres dans le bassin hydrographique

Nature Research Centre, Institute of Botany, Žaliujų Ežerų 49, Vilnius 08648, Lithuania

^* Corresponding author: alinakrevs@gmail.com

Received: 25 June 2019
Accepted: 7 October 2019

Abstract

Changes in land use in the catchments and areas near the shorelines of lakes may have undesirable consequences for the functioning of lake ecosystems. We studied temporal changes in physicochemical parameters and benthic microbial processes within the small Lake Gulbinas (Lithuania) in relation to the type of land use in the catchment. We compared the period when agriculture activity decreased and increased urban development commenced (2001–2002, transition period) with periods of intense urban land use (2007, 2014–2015). The results were compared to reference data from earlier agricultural periods (1962, 1987–1989). The highest nutrient concentrations in the water were observed during the period of agriculture activity, while increased phosphate concentrations in the near-bottom water and increased organic carbon content and microbial activity in the lake sediments were observed during the period of intense urban land use. Throughout the latter period, anaerobic mineralization of organic carbon via sulfate reduction in bottom sediments was significantly higher than that during the transition period. The intensification of benthic sulfate reduction led to sulfide increase and, thus, to a higher phosphate mobility re-fertilizing the water. Our study suggests that, with a shift of land usage in catchment areas from agricultural to urban, increasing sedimentary organic carbon and its intensive anaerobic mineralization may stimulate internal eutrophication of small lakes.

Résumé

Les changements dans l'utilisation des terres dans les bassins versants et les zones situées près des rives des lacs peuvent avoir des conséquences indésirables sur le fonctionnement des écosystèmes lacustres. Nous avons étudié les changements temporels des paramètres physico-chimiques et des processus microbiens benthiques dans le petit lac Gulbinas (Lituanie) en fonction du type d'utilisation des terres dans le bassin versant. Nous avons comparé la période au cours de laquelle l'activité agricole a diminué et le développement urbain s'est intensifié (2001–2002, période de transition) avec les périodes d'utilisation urbaine intensive des terres (2007, 2014–2015). Les résultats ont été comparés aux données de référence des périodes agricoles précédentes (1962, 1987–1989). Les concentrations d'éléments nutritifs dans l'eau les plus élevées ont été observées pendant la période d'activité agricole, tandis que les concentrations accrues de phosphate dans l'eau près du fond et la teneur en carbone organique et l'activité microbienne dans les sédiments lacustres ont été observées pendant la période d'utilisation urbaine intensive des terres. Tout au long de cette dernière période, la minéralisation anaérobie du carbone organique par réduction des sulfates dans les sédiments de fond a été beaucoup plus importante que pendant la période de transition. L'intensification de la réduction des sulfates benthiques a entraîné une augmentation des sulfures et, par conséquent, une plus grande mobilité des phosphates, ce qui a entraîné une nouvelle fertilisation de l'eau. Notre étude suggère qu'avec le déplacement de l'utilisation des terres dans les bassins versants de l'agriculture vers des zones urbaines, l'augmentation du carbone organique sédimentaire et sa minéralisation anaérobie intensive peuvent stimuler l'eutrophisation interne des petits lacs.