La dynamique interannuelle du CO₂ et O₂ en eau de surface dans un petit lac de tête

Abstract

Le métabolisme des lacs est le plus souvent évalué avec des observations en continue d’oxygène dissout (O2), où une stœchiométrie de 1 : -1 avec le dioxyde de carbone CO2 est assumée en raison des rôles que ces deux gaz jouent dans la photosynthèse et la respiration. Cependant, plusieurs processus physiques, chimiques et biologiques dans les lacs découplent les concentrations de CO2 et O2. Suivre les différences par rapport à la stœchiométrie 1 :-1 peut ainsi fournir des perspectives plus larges sur les processus à grande échelle des écosystèmes lors des changements saisonniers. En utilisant des mesures en continue d’O2 dissous et CO2, dans un petit lac de tête, nous regardons le découplage interannuel des gaz à l’automne sur une période de sept ans. Le début du changement des couleurs des feuilles, définissant le début de la période de perte des feuilles, des feuilles,coïncidait fortement avec le début de la déstratification du lac, marquant un changement plus important dans les dynamiques du bassin versant. Les taux d’accumulation de CO2 en eau de surface pendant l’automne variaient considérablement d’une année à l’autre, tandis que les taux de pertes en O2 étaient plutôt similaires. Les patrons de découplage des gaz étaient largement associés aux différences entre des conditions froides, sèches et venteuses versus chaudes et pluvieuses. Plus de CO2 atteignait la surface pendant les années chaudes et pluvieuses, présumément d’apports d’eau du bassin versant riches en CO2. Moins de CO2 atteignait la surface pendant les années froides et sèches en raison des apports dominants de l’export de l’hypolimnion, qui avait potentiellement des taux plus élevés de production de méthane lors d’années avec une période prolongée d’hypoxie. Les différences interannuelles des patrons de découplage des gaz pendant l’automne fournissent un signal métabolique intégratif des lacs tempérés stratifiés. Lake metabolism is often quantified using continuous measures of dissolved oxygen (O2), where a 1: -1 stoichiometry with carbon dioxide (CO2) is assumed because of both gases’ roles in photosynthesis and respiration. However, many other physical, chemical, and biological processes in lakes decouples dissolved O2 and CO2 concentrations. Tracking departure from the 1:-1 stoichiometry may thus provide insights into larger scale ecosystem functioning, particularly during dynamic shoulder seasons. Using continuous measure of dissolved O2 and CO2 in a small temperate headwater lake, we looked at the interannual gas departure signals during fall over seven years. The start of leaf colour change, defined here as the beginning of fall, differed among years but coincided remarkably well with the onset of lake destratification and a shift in surface gas concentrations. Fall surface CO2 accumulation rates varied considerably among years, whereas, in contrast, O2 depletion rates were rather similar. Gas departure signals were broadly related to interannual differences in climate. More CO2 accumulated in the surface during hot-wet falls presumably from catchment inputs whereas less CO2 reached the surface in cold-dry ones when hypolimnetic inputs where dominant. Lower CO2 accumulation occurred during years with prolonged hypolimnetic hypoxia where methanogenesis may have consumed more CO2. Other internal biological phenomena influenced fall departure signals, including a large metalimnetic oxygen peak and higher fall surface production. We suggest that interannual differences in gas departures during fall provides an integrative metabolic signature of temperate stratified lakes.