A simplified approach to detect a significant carbon dioxide reduction by phytoplankton in lakes and rivers on a regional and global scale

Abstract

Carbon dioxide (CO 2) uptake by phytoplankton can significantly reduce the partial pressure of CO 2 (pCO 2) in lakes and rivers, and thereby CO 2 emissions. Presently, it is not known in which inland waters on Earth a significant pCO 2 reduction by phytoplankton is likely. Since detailed, comparable carbon budgets are currently not available for most inland waters, we modified a proxy to assess the pCO 2 reduction by phytoplankton, originally developed for boreal lakes, for application on a global scale. Using data from 61 rivers and 125 lakes distributed over five continents, we show that a significant pCO 2 reduction by phytoplankton is widespread across the temperate and sub-/tropical region, but absent in the cold regions on Earth. More specifically, we found that a significant pCO 2 reduction by phytoplankton might occur in 24% of the lakes in the temperate region, and 39% of the lakes in the sub-/tropical region. We also showed that such a reduction might occur in 21% of the rivers in the temperate region, and 5% of the rivers in the sub-/tropical region. Our results indicate that CO 2 uptake by phytoplankton is a relevant flux in regional and global carbon budgets. This highlights the need for more accurate approaches to quantify CO 2 uptake by primary producers in inland waters, particularly in the temperate and sub-/tropical region. Keywords Phytoplankton. Global carbon cycle. Inland waters. Total organic carbon. CO 2 dynamics. Chlorophyll a

Opposing Effects of Climate and Permafrost Thaw on CH4 and CO2 Emissions From Northern Lakes

“…While there was a trend of decreasing CO 2 emissions in warmer climates, the SEM highlighted that this link was mediated through effects on lake water chemistry ( R 2 = 0.78, Fisher's C = 12.9, P = 0.40; P > 0.05 = good fit; Figure 3b). In the SEM, we hypothesized that higher MAAT allows for less permafrost and increased lake connectivity with groundwater‐fed peatlands, raising lake DOC, phosphate, and pH, which in turn increases primary productivity, indicated by higher Chl a (Engel et al., 2020), and shifts the carbonate equilibrium from CO 2 to bicarbonate, both causing reduced CO 2 emissions. Notably, while we did not design the study to monitor CO 2 emissions from abrupt thaw features, our study does include lake edges impacted by moderate levels of thaw.…”

“…Designated model paths must be supported by known links between variables based on prior work. For CO 2, the links and associated references are (a) Chl a (as a proxy for productivity) and CO 2 (Engel et al., 2020), (b) phosphate and lake productivity (Carpenter et al., 2001), (c) DOC and productivity (Kissman et al., 2013), and (d) MAAT and phosphate and DOC (Laudon et al., 2012; Roehm et al., 2009; Weyhenmeyer et al., 2015). For CH 4 , the links and prior work included (a) water temperature and CH 4 flux (DelSontro et al., 2016; Yvon‐Durocher et al., 2014); (b) water temperature and lake depth (Fang & Stefan, 1999); and (c) MAAT and water temperature (Schneider & Hook, 2010).…”

Lacunas Da Acumulação Secular De Matéria Orgânica Nos Ecossistemas Aquáticos: Sub-Representação Das Áreas Menos Alteradas Em Escala Global

“…Evidências prévias reforçam a importância das relações positivas entre as taxas de acumulação de MO e o aumento da temperatura nos ecossistemas aquáticos de latitudes de polares a boreais (Lundin et al 2015), de boreais a temperadas (Heathcote et al 2015) e de temperadas a subtropicais (Clow et al 2015). As regiões tropicais ainda são uma lacuna científica, uma vez que as mais altas temperaturas podem favorecer o incremento das taxas de remineralização da MO (Marotta et al 2014, Beaulieu et al 2019, mas também estimulam a produção de biomassa de origem autóctone (Engel et al 2020), como algas e plantas aquáticas, ou terrestres (Pan et al 2011), como vegetação lenhosa que é particularmente mais refratária (Guillemette et al 2017, Beaulieu et al 2019) e consequentemente suscetível à acumulação bentônica.…”

“…No gradiente latitudinal, ecossistemas aquáticos naturais presentes em áreas menos alteradas, podem apresentar relações positivas entre temperatura e as taxas de acumulação de MO (Ferland et al 2014, Clow et al 2015, Heathcote et al 2015, Lundin et al 2015. Esta relação ocorre porque nas temperaturas mais baixas a produtividade primária na floresta da bacia de drenagem e no próprio ecossistema aquático são menores (Pan et al 2011, Engel et al 2020, mesmo apresentando favorecimento em função da preservação da matéria orgânica (Razum et al 2021). Já nas regiões mais quentes, apesar das elevadas temperaturas favorecerem a degradação da matéria orgânica (Cardoso et al 2014, Marotta et al 2014, a produtividade da floresta (Pan et al 2011) e dos ambientes aquáticos (Engel et al 2020) são maiores, tornando as taxas nestes ambientes maiores neste balanço (Sanders et al 2017).…”

“…Esta relação ocorre porque nas temperaturas mais baixas a produtividade primária na floresta da bacia de drenagem e no próprio ecossistema aquático são menores (Pan et al 2011, Engel et al 2020, mesmo apresentando favorecimento em função da preservação da matéria orgânica (Razum et al 2021). Já nas regiões mais quentes, apesar das elevadas temperaturas favorecerem a degradação da matéria orgânica (Cardoso et al 2014, Marotta et al 2014, a produtividade da floresta (Pan et al 2011) e dos ambientes aquáticos (Engel et al 2020) são maiores, tornando as taxas nestes ambientes maiores neste balanço (Sanders et al 2017). Em relação às mudanças de uso e cobertura da terra, estudos indicaram que nas regiões mais frias existe uma tendência de aumento da capacidade de armazenamento de MO no sedimento (Heathcote et al 2015) devido a maior entrada de sedimento e eutrofização, além de sua maior capacidade de preservação da MO (Razum et al 2021).…”