GEOLOGIJA 45/2, 607–612, Ljubljana 2002
Izotopska sestava sedimentiranega organskega ogljika in du{ika kot indikator trofi~nega razvoja visokogorskih jezer v Julijskih Alpah
Stable isotopic composition of sedimentary organic carbon and nitrogen as indicator of trophic state changes in high-mountain lakes in the Julian Alps
Polona VRE^A1 & Gregor MURI2
1 Institut “Jo`ef Stefan”, Jamova 39, 1000 Ljubljana; polona.vreca@ijs.si 2 Nacionalni in{titut za biologijo, Ve~na pot 111, 1000 Ljubljana
Klju~ne besede: organska snov, stabilni izotopi, ogljik, du{ik, jezerski sedimenti, Julijske Alpe, Slovenija
Key words: organic matter, stable isotopes, carbon, nitrogen, lake sediments, Julian Alps, Slovenia
Kratka vsebina
Raziskali smo uporabnost izotopske sestave ogljika in du{ika sedimentirane organske snovi pri sledenju sprememb trofi~nega stanja {tirih visokogorskih jezer na obmo~ju Triglavskega narodnega parka. Rezultati ka‘ejo, da so vi{je vrednosti d13Corg povezane z ni‘jimi vrednostmi d15N in so zna~ilne za oligotrofna jezera, medtem ko so ni‘je vrednosti d13Corg povezane z vi{jimi vrednostmi d15N in so zna~ilne za evtrofna jezera.
Abstract
In the present study we explore the applicability of carbon and nitrogen stable isotope signatures in sedimentary organic matter to trace changes in lake trophic state in four highmountain lakes in Triglav National Park (NW Slovenia). Results show higher d13Corg values associated with lower d15N values that are characteristic of oligotrophic lakes, while lower d13Corg values are associated with higher d15N values that are characteristic of eutrophic lakes.
Uvod
Jezera predstavljajo zelo ob~utljive, z okolico tesno povezane ekosisteme. Geolo{ko gledano so to relativno kratkotrajne oblike, njihov ontogenetski razvoj pa je tesno povezan s procesom evtrofikacije. Ta proces zajema v prvi fazi pove~an vnos hranil, predvsem du{ikovih in fosforjevih spojin, v jezero. Posledica je pove~anje celotne bioprodukcije, predvsem v zgornjem delu vodnega stolpca (epilimniju) ter poru{itev ravnote‘ja med fo-tosintetsko produkcijo in respiracijo. V epi-
limniju nastala organska snov tone in se razgrajuje s pomo~jo akceptorjev elektronov (O2, NO3-, MnO2, Fe2O3, SO42-, CO2 in organske molekule z majhnimi molekulskimi masami) v spodnjem delu vodnega stolpca (hi-polimniju). Oksidacija s kisikom je najbolj energetska reakcija in do nje pride najprej. Ko se kisik porabi, pride do denitrifikacije, nato do redukcije manganovih oksidov, nitrata in ‘elezovih oksidov, sulfatne redukcije ter nastanka metana. Napredovanje k manj energetskim reakcijam ka‘e tudi na splo{no ni‘anje Eh v sedimentu in s tem bolj reduk-
608
Polona Vre~a & Gregor Muri
cijske pogoje ( F r o e l i c h et al., 1979, C a n -field, 1993, Appelo & Postma, 1994). Pri razgradnji organske snovi nastajajo reducirane kemijske zvrsti (N2, Mn2+, NH4+, Fe2+, H2S in CH4), kar privede do pojava hi-poksi~nih ali celo anoksi~nih razmer v hi-polimniju (Froelich et al., 1979, Furrer & Wehrli, 1996). Slednje je zna~ilno za visoko produktivna jezera, kjer je preskrba akceptorjev elektronov znatno omejena. Tudi v prisotnosti kisika lahko v teh okoljih prevladujejo anaerobni procesi, saj porabljajo kisik mikroorganizmi za oksidacijo CH4, H2S in NH4+, nastalih med razgradnjo organske snovi (Sweerts et al., 1991, Sinke et al., 1992). Pomankanje kisika v hipolimniju tudi upo~asni razgradnjo organske snovi, zato se na jezerskem dnu in v sedimentu le ta kopi~i. S procesom evtrofikacije je tako povezano spreminjanje fizikalno-kemijskih lastnosti vodnega stolpca, ki dolo~ajo trofi~no stanje jezera in na osnovi katerih lo~imo ultera-oligotrofna, oligotrofna, mezotrofna, evtrofna in hiperevtrofna jezera (OECD, 1982). Zaporedje navedenih trofi~nih stopenj predstavlja ontogenetski razvoj posameznega jezera.
^e je vnos hranilnih snovi velik, so spremembe v jezerskem ekosistemu hitre in korenite, prizadetost ekosistema pa se ka‘e v spremembi {tevila rastlinskih in ‘ivalskih vrst oziroma spremembi trofi~nega stanja jezera. Evtrofikacija je torej naravni proces, ki ga ~lovek s svojo intenzivno dejavnostjo v povodju jezer znatno pospe{uje. Pomemben vpliv pa ima tudi onesna‘enje preko zraka (Lerman, 1979, Lerman et al., 1995). Ker se spremembe v jezeru in ob njem zabele‘ijo v jezerskem sedimentu nam lahko raziskave jezerskega sedimenta pomagajo pri ugotavljanju okoljskih sprememb in rekonstrukciji pogojev nastanka jezerskih sedi-mentov (Lerman et al., 1995).
Raziskave so pokazale, da predstavlja iz-otopska sestava ogljika in du{ika (d13C in d15N) sedimentirane organske snovi v kombinaciji s podatki o koncentraciji organskega ogljika (Corg) in celotnega du{ika (Ntot) pomemben indikator okoljskih sprememb povezanih z evtrofikacijo jezer oziroma spremembe trofi~nega stanja jezer ( G u et al., 1996, Brenner et al., 1999, Teranes & Bernasconi, 2000, Hollander & Smith, 2001). Poleg tega lahko s pomo~jo podatkov o izotopski sestavi organskega ogljika in razmerjem Corg/Ntot dolo~imo tudi izvor rastlinske organske snovi, ohranjene v sedimentu (Deines, 1980, Fry & Sherr, 1984, Meyers, 1994).
Dosedanje raziskave so pokazale, da so onesna‘enju in s tem povezanim pospe{enim procesom evtrofikacije izpostavljena tudi visokogorska jezera na zavarovanem obmo~ju Triglavskega narodnega parka (Brancelj et al., 2000, Vre~a, 2000, Vre~a et al., 2001, Brancelj, 2002). Na obmo~ju parka se nahaja 14 visokogorskih jezer, ki se med seboj razlikujejo po velikosti, globini in tro-fi~nem stanju. Ker so jezera odmaknjena, njihova povodja pa nenaseljena, ima pomemben vpliv atmosferski vnos onesna‘evalcev. Poleg tega vpliva na stanje jezer tudi njihova lega (nad ali pod gozdno mejo) ter dejavnosti v njihovi neposredni bli‘ini (plan{arstvo in turizem). Posledica {tevilnih vplivov je po-spe{en proces evtrofikacije v na{ih visokogorskih jezerih.
Za raziskave smo izbrali {tiri visokogorska jezera in sicer dve oligotrofni (Zgornje Kri{ko jezero in Jezero v Ledvicah), ki le‘ita nad gozdno mejo ter dve evtrofni (Krnsko jezero in Jezero na Planini pri Jezru), ki le‘ita pod gozdno mejo. Glavne karakteristike raziskanih jezer so podane v Tabeli 1. Koli~ina organske snovi v sedimentu jezer je relativno visoka. Najvi{je koncentracije Corg in Ntot so bile izmerjene v zgornjih nekaj
Tabela 1. Glavne karakteristike jezer: nadmorska vi{ina, srednja povr{ina in najve~ja globina (Dobravec & Ši{ko, 2002) ter trofi~no stanje ( B r a n c e l j et al., 1997).
Jezero	nadmorska vi{ina [m]	srednja povr{ina [ha]	najve~ja globina [m]	trofi~no stanje
Zgornje Kri{ko Jezero	2150	0,662	9	oligotrofno
Jezero v Ledvicah	1830	2,187	15	oligotrofno
Krnsko jezero	1383	4,534	18	evtrofno
Jezero na Planini pri Jezeru	1430	1,562	11	evtrofno
Izotopska sestava sedimentiranega organskega ogljika in du{ika kot indikator trofi~nega …            609
Tabela 2. Najvi{je (max) in najni`je (min) koncentracije Corg in Ntot ter vrednosti razmerja Corg/Ntot v sedimentu raziskanih jezer.						
Jezero	max Corg [%]	min Corg [%]	max Ntot [%]	min Ntot [%]	max Corg/Ntot	min Corg/Ntot
Zgornje Kri{ko jezero	10,1	6,8	1,3	0,8	9	8
Jezero v Ledvicah	15,6	6,6	1,9	0,8	10	7
Krnsko jezero	4,7	1,0	0,4	0,1	20	9
Jezero na Planini pri Jezeru	19,3	9,4	1,7	0,5	21	11
centimetrih sedimenta in z globino sedimen-ta upadajo, kar ka‘e na pove~anje akumulacije organske snovi v zadnjih nekaj deset letih (Sim~i~ et al., 2002). Tudi razmerja Corg/Ntot se z globino sedimenta spreminjajo in ka‘ejo na spreminjanje izvora sedimen-tirane organske snovi v posameznih jezerih (Sim~i~ et al., 2002). Najvi{je in najni‘je koncentracije Corg in Ntot ter vrednosti razmerja Corg/Ntot so podane v Tabeli 2. Ker ka‘ejo zbrani rezultati na znatne spremembe ekosistemov, ki lahko privedejo tudi do onto-genetskih sprememb jezer, je bil namen na-{ih raziskav ugotoviti kako odra‘a izotopska sestava ogljika in du{ika sedimentirane organske snovi trofi~no stanje na{ih visokogorskih jezer.
Materiali in metode
Jedra sedimenta smo odvzeli z gravitacijskim jedernikom Kajak s cevjo iz pleksi stekla in jih razrezali na 1 cm debele segmente. Vzorce sedimenta smo posu{ili in pripravili za nadaljne izotopske analize. Za do-lo~itev izotopske sestave sedimentiranega organskega ogljika (d13Corg) smo vzorcem najprej odstranili anorganski ogljik z 1M HCl, nato smo vzorce prefiltrirali skozi steklene filtre (GF/C Whatman), jih sprali z destilirano vodo in posu{ili. Za dolo~itev izotop-ske sestave du{ika (d15N) smo uporabili neobdelane vzorce. Nato smo v kositrove kapsule zatehtali primerno koli~ino vzorca in kapsule se‘gali v toku ~istega kisika pri 1700°C. Nastalemu plinu smo dolo~ili iz-otopsko sestavo d13Corg in d15N z masnim spektrometrom Europa 20-20 ANCA-SL s pre-parativnim modulom za trdne in teko~e vzorce. Vsi rezultati meritev izotopske sestave so podani relativno (‰) kot vrednosti d glede na izbrani standard (V-PDB za ogljik in zrak za du{ik).
Rezultati in razprava
Izotopska sestava sedimentiranega organskega ogljika in du{ika se z globino sedi-menta spreminja kot je prikazano na slikah 1 in 2. Najvi{je vrednosti d13Corg smo dolo~ili v sedimentu oligotrofnega Zgornje Kri{kega jezera in zna{ajo –19,8 do –15,2‰ (slika 1). Tak{ne vrednosti d13Corg in razmerja Corg/Ntot, ki se gibljejo med 8 in 9 (Tabela 2), ka‘ejo, da predstavlja glavni izvor sedimentirane organske snovi v tem jezeru vodna (avtohtona) komponenta (Meyers, 1994). Ker le‘i jezero nad gozdno mejo, je prispevek kopenske (alohtone) organske snovi zanemarljivo majhen ( S i m ~ i ~ et al., 2002). Vrednosti d15N se spreminjajo od –1,0 do +0,9‰ (slika 2). Nizke vrednosti d15N lahko pripi{emo dejstvu, da predstavljajo glavni vir raztopljenega nitrata dostopnega vodnim rastlinam in fitoplanktonu v tem jezeru, padavine in zra~ni N2, izotopska sestava nastale jezerske biomase pa zna{a zato okrog 0‰ (Mayer &   Schwark, 1999).
V sedimentu oligotrofnega Jezera v Ledvicah, ki ob~asno ‘e ka‘e znake mezotrofnih jezer, smo dolo~ili nekoliko bolj negativne
o
5 10
I'5 J  20
¦Sk25
30
35
8PC„[X.] 30            -25            -20            -15            -10
S       0=:
Zgornje Krilbo Jezero
JezerovLedricah
Krnsko jezero
Jezero na TuuiiiM pri Jezeru
Sl. 1. Spreminjanje izotopske sestave
sedimentiranega organskega ogljika (d13Corg) z
globino sedimenta.
610
Polona Vre~a & Gregor Muri
0
5
10
1. 15
8lsN[%o]
-4-3-2-10       1
I
20
25
30
35
 Zgornje Kriško jezero  Jezero v Ledvicah
5 10 15
20 25 30
35
ö^^o]
-1       0
Krnsko jezero
 Jezero na Planini pri Jezeru
Sl. 2. Spreminjanje izotopske sestave sedimentiranega du{ika (d15N) z globino sedimenta.
-10
-15
-20
Ł	-25
3o	-30
-35
-40
* +

?   Zgornje Kriško jezero
Jezero v Ledvicah O   Krnsko jezero *   Jezero na Planini pri Jezeru


?  ?'
kAA      A äA
O
o
o,
o
o
o
o

o #

815N[%o]
Sl. 3. Spreminjanje izotopske sestave sedimentiranega organskega ogljika (d13Corg) v odvisnosti od izotopske sestave sedimentiranega du{ika (d15N).
Izotopska sestava sedimentiranega organskega ogljika in du{ika kot indikator trofi~nega …            611
vrednosti izotopske sestave sedimentiranega organskega ogljika. Vrednosti d13Corg nara-{~ajo z globino sedimenta od –26,3 do –22,4‰ (slika 1). Vrednosti d13Corg in razmerja Corg/Ntot, ki se gibljejo med 7 in 10 (Tabela 2) ka‘ejo, da predstavlja tudi v tem jezeru glavni izvor sedimentirane organske snovi avtohtona komponenta. Z globino sedimenta nara{~ajo tudi vrednosti d15N, ki zna{ajo od –3,0 do +1,6‰ (slika 2). Znatne spremembe v izotopski sestavi du{ika lahko pripi{emo nara{~anju jezerske bioprodukcije in spremembi rastlinskih in ‘ivalskih vrst v zadnjih 160 letih.
Še nekoliko bolj negativne vrednosti d13Corg smo dolo~ili v sedimentu evtrofnega Krnskega jezera, ki le‘i pod gozdno mejo. Vrednosti d13Corg nara{~ajo z globino sedimenta od –31,5 do –24,9‰ (slika 1). Razmerja Corg/Ntot se spreminjajo od 9 do 20 (Tabela 2), ni‘je vrednosti pa so zna~ilne za zgornji del sedimentnega stolpca. V tem jezeru predstavlja zato sedimentirana organska snov me-{anico alohtone in avtohtone organske snovi, vendar slednja prevladuje. Tudi vrednosti d15N z globino sedimenta nara{~ajo od –1,2 do +2,4‰ (slika 2). Negativni trend vrednosti d15N proti povr{ju sedimenta lahko pojasnimo z zmanj{anjem alohtonega vnosa v jezero oziroma s pove~anjem jezerske bioprodukcije v zadnjih desetletjih, pri ~emer imajo v tak{nih okoljih pomembno vlogo cianobakterije, ki ve‘ejo zra~ni du{ik ( G u et al., 1996).
Najbolj negativne vrednosti d13Corg smo dolo~ili v sedimentirani organski snovi zelo evtrofnega Jezera na Planini pri Jezeru. Vrednosti d13C se spreminjajo od –36,0 do –29,6‰ in z globino nara{~ajo (slika 1). Razmerja Corg/Ntot se spreminjajo od 11 do 21 (Tabela 2), najni‘je vrednosti pa smo opazili na globini 2 do 5 cm (Vre~a, 2000), kar ustreza glede na datacijo z radioaktivnim izotopom 210Pb ( B r a n c e l j et al., 2000) dogajanju med leti 1987 in 1994. V tem ~asu se je vnos hranil v jezero znatno pove~al zaradi neurejenega kanalizacijskega sistema planinske ko~e nad jezerom. Jezero je v tem obdobju ‘e doseglo hiperevtrofno stanje. Zaradi znatne bioprodukcije v epilimniju in upo~as-nitve razgradnje organske snovi v hipolim-niju, se je v tem ~asu akumuliralo na jezerskem dnu najve~ organske snovi. Zelo nizke vrednosti d13Corg (-36‰) so torej posledica intenzivne bioprodukcije, pomembna pa je tudi prisotnost organizmov, ki pri sintezi
biomase v anoksi~nih okoljih porabljajo iz-otopsko osiroma{eni metan (Hollander & Smith, 2001). Posledi~no je nastala bio-masa osiroma{ena s te‘jim ogljikovim izotopom (13C). Spreminjanje izotopske sestave du{ika z globino sediment ni izrazito, vrednosti d15N pa se spreminjajo med +1,3 in +2,9‰ (slika 2).
Spreminjanje izotopske sestave sedimen-tiranega organskega ogljika (d13Corg) v odvisnosti od du{ika (d15N) je prikazano na sliki 3. Rezultati ka‘ejo, da so vi{je vrednosti d13Corg povezane z ni‘jimi vrednostmi d15N in so zna~ilne za obe oligotrofni jezeri, medtem ko so ni‘je vrednosti d13Corg povezane z vi{-jimi vrednostmi d15N in so zna~ilne za obe evtrofni jezeri.
Sklep
Rezultati opravljenih raziskav ka‘ejo, da lahko z uporabo stabilnih izotopov ogljika in du{ika dobro opredelimo trofi~no stanje na{ih visokogorskih jezer, sledimo pa lahko tudi vse prehode od najbolj oligotrofnega Zgornje Kri{kega jezera, preko oligo do me-zotrofnega Jezra v Ledvicah in evtrofnega Krnskega jezera do zelo evtrofnega Jezera na Planini pri Jezeru.
Zahvala
Raziskave so potekale v okviru projektov “Slovenska alpska jezera: paleoekologija in ekologija” in “Biogeokemijsko kro`enje ogljika, du{ika in `vepla v evtrofnih jezerih” ob finan~ni podpori Ministrstva za {olstvo, znanost in {port. Avtorja se zahvaljujeva dr. Antonu Branclju in ostalim sodelavcem za njihovo dragoceno pomo~.
Literatura
Appelo, C. A. J. & Postma, D. 1994: Geochemistry, groundwater and pollution. – A.A. Bal-kema, 536 p., Rotterdam.
B r a n c e l j , A. 2002: Visokogorska jezera v vzhodnem delu Julijskih Alp. – ZRC SAZU, 266 str., Ljubljana.
B r a n c e l j , A., Š i { k o , M. & K o s i , G. 1997: Distribution of algae and crustacea (Copepoda & Cladocera) in mountain lakes in Slovenia with different trophic levels. – Periodicum biologorum, 99, 87-96.
612
Polona Vre~a & Gregor Muri
B r a n c e l j , A., Š i { k o , M., R e j e c B r a n -c e l j , I., J e r a n , Z. & J a } i m o v i } , R. 2000: Effects of land use and fish stocking on a mountain lake – evidence from the sediment. – Periodicum biologorum, 102, 259-286.
B r e n n e r , M., W h i t m o r e , T. J., C u r t i s , J. H., H o d e l l , D. A. & S c h e l s k e , C. 1999: Stable isotope (d13C and d15N) signatures of sedimented organic matter as indicators of historic lake trophic state. – Journal of Paleolimnology, 22, 205-221.
C a n f i e l d , D. E. 1993: Organic matter oxidation in marine sediments. – In Wollast, R., Mackenzie, F. T. & Chou, L. (eds.), Interactions of C,N, P and S Biogeochemical Cycles and Global Change. NATO ASI Series, Series 1: Global Environmental Change, 4, 333-340, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg.
D e i n e s , P. 1980: The isotopic composition of reduced organic carbon. – In Fritz, P. & Fontes, J. (eds.), Handbook of Environmental Isotope Geochemistry. Vol. 1: The Terrestrial Environment, Part A, 329-406, Elsevier, Amsterdam.
D o b r a v e c , J. & Š i { k o , M. 2002: Geografska lega in opis jezer. – V Brancelj, A. (Urednik), Visokogorska jezera v vzhodnem delu Julijskih Alp. ZRC SAZU, 49-76, Ljubljana.
F r o e l i c h , P. N., K l i n k h a m m e r , G. P., B e n d e r , M. L., L u e d t k e , N. A., H e a t h , G. R., C u l l e n , D., D a u p h i n , P., H a m m o n d , D., Hartman, B. & Maynard, V. 1979: Early oxidation of organic matter in pelagic sediments of the Eastern Equatorial Atlantic: Suboxic diagenesis. – Geochimica et Cosmochimica Acta, 43, 1075-1091.
Fry, B. & Sherr, E. B. 1984: d13C measurements as indicators of carbon flow in marine and freshwater ecosystems. – Contributions to Marine Science, 27, 13-47.
F u r r e r , G. & W e h r l i , B. 1996: Microbial reactions, chemical speciation and multicompo-nent diffusion in porewaters of a eutrophic lake. – Geochimica et Cosmochimica Acta, 60, 2333-2346.
Gu, B., Schelske, C.L. & Brenner, M. 1996: Relationship between sediment and plankton isotope ratios (d13C and d15N) and primary productivity in Florida lakes. – Can. J. Fish. Aquat., 53, 875-883.
Hollander, D. J. & Smith, M. A. 2001: Microbially mediated carbon cycling as a control on the d13C of sedimentary carbon in eutrophic
Lake Mendota (USA): New models for interpreting isotopic excursions in the sedimentary record. – Geochimica et Cosmochimica Acta, 65, 4321-4337.
L e r m a n , A. 1979: Geochemical processes: Water and Sediment Environments. – Wiley & Sons, 479 p., New York.
L e r m a n , A., I m b o d e n , D. & G a t , J. 1995: Physics and Chemistry of Lakes. – Springer-Verlag, 334 p., Berlin Heidelberg.
Mayer, B. & Schwark, L. 1999: A 15,000-year stable isotope record from sediments of Lake Steisslingen, Southwest Germany. – Chemical Geology, 161, 315-337.
M e y e r s , P. A. 1994: Preservation of elemental and isotopic source identification of sedimentary organic matter. – Chemical Geology, 114, 289-302.
OECD 1982: Eutrophication of waters, monitoring, assessment and management, Paris.
S i m ~ i ~ , T., V r e ~ a , P., M u r i , G., L o j e n , S. & O g r i n c , N. 2002: Izvori in mineralizacija organske snovi v visokogorskih jezerih. – V Brancelj, A. (Urednik), Visokogorska jezera v vzhodnem delu Julijskih Alp. ZRC SAZU, 179-198, Ljubljana.
S i n k e , A. J. C., C o t t a a r , F. H. M., B u i s , K. & Keizer, P. 1992: Methane oxidation by methanotrphs and its effects on the phosphate flux over the sediment-water interface in an eutro-phic lake. – Microb. Ecol., 24, 259-269.
S w e e r t s , J. P., B ä r - G i l i s s e n , M. J., C o r -n e l e s e , A. A. & C a p p e n b e r g , T. E. 1991: Oxygen consuming processes at the profundal and littoral sediment-water interface of a small meso-eutrophic lake (Lake Vechten, The Netherlands). – Limnology and Oceanography, 36, 1124-1133.
T e r a n e s , J. L. & B e r n a s c o n i , S. 2000: The record of nitrate utilization and productivity limitation provided by d15N values in lake organic matter – A study of sediment trap and core sediments from Baldeggersee, Switzerland. – Limnology and Oceanography, 45, 801-813.
V r e ~ a , P. 2000: Kro‘enje biogenih prvin v evtrofnem visokogorskem Jezeru na Planini pri Jezeru. – Doktorska disertacija, Univerza v Ljubljani, 116 str., Ljubljana.
V r e ~ a , P., J e r a n , Z., L o j e n , S., J a } o -m o v i } , R., D o l e n e c , T., B r a n c e l j , A. & Mu -r i , G. 2001: Trace element records in high mountain lake sediments in NW Slovenia dated by 210Pb. – Book of extended synopses, IAEA-CN-80, 134-135, Vienna.