Diurnal dynamics of dissolved oxygen in the small mesotrophic lake during the under-ice heating period

The article investigates the dynamics of the dissolved oxygen (DO) content, the water temperature, the chlorophyll «a» and the under-ice irradiation in the small mesotrophic lake during the springtime heating period. All data were obtained from long-term observations using high-precision autonomous equipment. In the convectively mixed layer (CML) were recorded the DO oscillations up to 1 mgO2/l with daily frequency. Assumedly, these fluctuations are due to the daytime intensification of the photosynthesis on the background of under-ice irradiation growth (reaching 120 W/m2 when snow melts from ice surface) and the destruction of newly formed organic matter. The CML also exhibits the high-frequency DO fluctuations (on scales from 2-3 minutes to 3-4 hours), presumably related to convective currents and seiche activity. The involvement of oxygen-depleted water portions from underlying stratified layer to convective mixing leads to decrease of DO concentration in CML, but the total oxygen content in the water column during the under-ice convection period increases at a rate ~0.1-0.4 gO2/m2 per day due to photosynthesis enhance.

mesotrophic lake, under-ice heating, under-ice light, spring convection, photosynthesis, dissolved oxygen, water temperature, chlorophyll «a»

1. Винберг Г. Г. Первичная продукция водоемов. Минск: Изд-во АН БССР, 1960. 329 с.

2. Волков С. Ю., Богданов С. Р., Здоровеннова Г. Э., Здоровеннов Р. Э., Пальшин Н. И., Тержевик А. Ю. Крупномасштабная структура конвективного перемешанного слоя в мелководном озере подо льдом // ФПГ. 2019. Т. 12. № 1. С. 30-39.

3. Гавриленко Г. Г., Здоровеннова Г. Э., Здоровеннов Р. Э., Пальшин Н. И., Ефремова Т. В., Тержевик А. Ю. Пространственно-временная изменчивость потока фотосинтетически активной солнечной радиации в мелководном озере в период открытой воды // Общество. Среда. Развитие. 2015. № 3. С. 186-192.

4. Ефремова Т. В., Пальшин Н. И., Здоровеннова Г. Э., Тержевик А. Ю. Влияние экстремально жаркого лета 2010 г. на температуру воды и распределение кислорода в озерах Карелии // Метеорол. и гидрол. № 9. 2015. № 9. С. 67-76.

5. Озера Карелии. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2013. 463 с.

6. Пальшин Н. И., Здоровеннова Г. Э., Здоровеннов Р. Э., Ефремова Т. В., Гавриленко Г. Г., Тержевик А. Ю. Влияние весенней подледной освещенности и конвективного перемешивания на распределение хлорофилла «а» в малом мезотрофном озере // Водные ресурсы. 2019. Т. 46, вып. 3. С. 259-269.

7. Хатчинсон Д. Лимнология. Географические, физические и химические характеристики озер. М.: Прогресс (пер. с англ.), 1969. 592 с.

8. Baehr M. M., DeGrandpre M. D. Under-ice CO2 and O2 variability in a freshwater lake // Biogeochemistry. 2002. Vol. 61. P. 95-113.

9. Barica J., Mathias J. A. Oxygen depletion and winterkill risk in small prairie lakes under extended ice cover // J. Fish. Res. Board Can. 1979. No. 36. P. 980-986.

10. Bogdanov S., Zdorovennova G., Volkov S., Zdorovennov R., Palshin N., Efremova T., Terzhevik A., Bouffard D. Structure and dynamics of convective mixing in Lake Onego under ice-covered conditions // Inland waters. 2019. https://doi.org/10.1080/20442041.2018.1551655.

11. Bouffard D., Wüest A. Convection in Lakes // Annual Review of Fluid Mechanics. 2019. 51(1). P. 189-215. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-010518-040506.

12. Couture R.-M., de Wit H. A., Tominaga K., Kiuru P., Markelov I. Oxygen dynamics in a boreal lake responds to long-term changes in climate, ice phenology, and DOC inputs // J. Geophys. Res. Biogeosci. 2015. 120. P. 2441-2456. doi:10.1002/2015JG003065.

13. Hampton S. E., Galloway A. W. E., Powers S. M., Ozersky T., Woo K. H., Batt R. D., Labou S. G., O’Reilly C. M., Sharma S., Lottig N. R., Stanley E. H., North R. L., Stockwell J. D., Adrian R., Weyhenmeyer G. A., Arvola L., Baulch H. M., Bertani I., Bowman Jr. L. L., Carey C. C., Catalan J., Colom-Montero W., Domine L. M., Felip M., Granados I., Gries C., Grossart H.-P., Haberman J., Haldna M., Hayden B., Higgins S. N., Jolley J. C., Kahilainen K. K., Kaup E., Kehoe M. J., MacIntyre S., Mackay A. W., Mariash H. L., McKay R. M., Nixdorf B., Nõges P., Nõges T., Palmer M., Pierson D. C., Post D. M., Pruett M. J., Rautio M., Read J. S., Roberts S. L., Rücker J., Sadro S., Silow E. A., Smith D. E., Sterner R. W., Swann G. E. A., Timofeyev M. A., Toro M., Twiss M. R., Vogt R. J., Watson S. B., Whiteford E. J., Xenopoulos M. A. Ecology under ice // Ecol. Lett. 2017. 20(1). P. 98-111. DOI: 10.1111/ele.12699.

14. Huotari J., Ojala A., Peltomaa E., Nordbo A., Launiainen S., Pumpanen J., Rasilo T., Hari P., Vesala T. Longterm direct CO2 measurements over a boreal lake: five years of eddy covariance data // Geophys. Res. Lett. 2011. 38: L18401.

15. Golosov S., Terzhevik A., Zverev I., Kirillin G., Engelhardt C. Climate change impact on thermal and oxygen regime of shallow lakes // Tellus A. 2012. No. 64. P. 17 264.

16. Kelley D. E. Convection in ice-covered lakes: effects on algal suspension // J. Plankton. Res. 1997. Vol. 19. P. 1859-1880.

17. Kirillin G., Engelhardt C., Golosov S., Hintze T. Basin-scale internal waves in the bottom boundary layer of ice-covered Lake Müggelsee, Germany // Aquat. Ecol. 2009. 43(3). P. 641-651.

18. Obertegger U., Obrador B., Flaim G. Dissolved oxygen dynamics under ice: Three winters of high-frequency data from Lake Tovel, Italy // Water Resources Research. 2017. 53(8). P. 7234-7246. https://doi.org/10.1002/2017WR020599.

19. Palshin N. I., Bogdanov S. R., Zdorovennova G. E., Zdorovennov R. E., Efremova T. V., Belashev B. Z., Terzhevik A. Yu. Short Internal Waves in a Small Ice-Covered Lake // Water Resources. 2018. 45(5). P. 695-705.

20. Pernica P., North R. L., Baulch H. M. In the cold light of day: the potential importance of under-ice convective mixed layers to primary producers // Inland Waters. 2017. 7(2). Р. 138-150.

21. Salonen K., Pulkkanen M., Salmi P., Griffiths R. W. Interannual variability of circulation under spring ice in a boreal lake // Limnol. Oceanogr. 2014. Vol. 59. No. 6. P. 2121-2132.

22. Staehr P. A., Bade D., Van de Bogert M. C., Koch G. R., Williamson C., Hanson P., Cole J. J., Kratz T. Lake metabolism and the diel oxygen technique: State of the science // Limnol. Oceanogr. Methods. 2010. 8. P. 628-644.

23. Terzhevik A., Golosov S., Palshin N., Mitrokhov A., Zdorovennov R., Zdorovennova G., Kirillin G., Shipunova E., Zverev I. Some features of the thermal and dissolved oxygen structure in boreal, shallow ice-covered Lake Vendyurskoe, Russia // Aquatic Ecology. 2009. Vol. 43. P. 617-627. DOI: 10.1007/s10452-009-9288-x

24. Zdorovennov R., Palshin N., Zdorovennova G., Efremova T., Terzhevik A. Interannual variability of ice and snow cover of a small shallow lake // Est. J. Earth Sci. 2013. No. 61(1), P. 26-32.

25. Zdorovennova G., Palshin N., Zdorovennov R., Golosov S., Efremova T., Gavrilenko G., Terzhevik A. The oxygen regime of shallow lake // Geography, Environment, Sustainability. 2016. No. 2. P. 47-57.