Vedlegg til Intensjonskunngjøring vedrørende anskaffelse av smarte lyttesensorer på vannledningsnettet
Fil: Historiske-og-fremtidige-endringer-i-løst-organisk-karbon-i-Farrisvannet.pdf
Vedlegg til anbudet Intensjonskunngjøring vedrørende anskaffelse av smarte lyttesensorer på vannledningsnettet fra Vestfold Vann IKS.
RAPPORT L.NR. 7111-2017
Historiske og fremtidige endringer i
løst organisk karbon i Farrisvann
Norsk institutt for vannforskning
RAPPORT
Hovedkontor NIVA Region Sør NIVA Region Innlandet NIVA Region Vest
Gaustadalléen 21 [navn skjult] vei 3 Sandvikaveien 59 Thormøhlensgate 53 D
0349 Oslo 4879 Grimstad 2312 Ottestad 5006 Bergen
Telefon (47) 22 18 51 00 Telefon (47) 22 18 51 00 Telefon (47) 22 18 51 00 Telefon (47) 22 18 51 00
Telefax (47) 22 18 52 00 Telefax (47) 37 04 45 13 Telefax (47) 62 57 66 53 Telefax (47) 55 31 22 14
Internett: www.niva.no
Tittel Løpenummer Dato
Historiske og fremtidige endringer i løst organisk karbon i Farrisvann 7111-2017 Januar 2017
Forfatter(e) Fagområde Distribusjon
Salar Valinia, Carolina Olid Garcia (Umeå Universitet), Carsten Klima Åpen
Meyer-Jacob (Umeå Universitet) & [navn skjult] (Umeå
Geografisk område Utgitt av
Universitet).
Norge NIVA
Oppdragsgiver(e) Oppdragsreferanse
Vestfold IKS Tanja Breyholtz
Heftenr.:
Sammendrag
I denne rapporten analyserer vi med bruk av sedimenter og modellering historiske og fremtidige trender i organisk
karbon Farrisvann. Vi har brukt en historiske sediment-rekonstruksjon fra en representativ referansesjø, lange dataserier
for Farrisvann, klimascenarier for den aktuelle regionen i Norge, samt den nyeste vitenskapelige dokumentasjonen på
karbondynamikk i nedbørfelter for å modellere fremtidige endringer i konsentrasjoner av organisk karbon frem til 2050.
Modellprediksjonene viser at konsentrasjonene av organisk karbon i Farrisvann kan fortsette å øke med den samme
takten som overvåkingsdataene har vist fram til i dag. Vi anbefaler de ansvarlige for vannbehandlingsanleggene å forvente
videre økning i organisk karbon og vannfarge også i tiden fremover.
Fire emneord Four keywords
1. Fargeøkning 1. Browning
2. Organisk karbon 2. Organic carbon
3. Drikkevann 3. Drinking water
4. Klima 4. Climate
[navn skjult] [navn skjult]
Prosjektleder Forskningsleder
ISBN 978-82-577-6846-1
NIVA-rapport ISSN 1894-7948
Historiske og fremtidige endringer i løst organisk
karbon i Farrisvann
NIVA 7111-2017
Forord
Denne rapporten tar for seg de historiske og fremtidige endringene i
konsentrasjoner av løst organisk karbon i Farrisvann. Målsetningen er å
bistå drikkevannsanlegget med å skalere driften for å ta høyde for
fremtidige økninger i fargen i råvannet. Prosjektet ble initiert av Tanja
Breyholtz ved Vestfold Vann. Salar Valinia ved NIVA har vært
prosjektleder, Carolina Olid Garcia var ansvarlig for Pb-dateringer,
Carsten Meyer Jacob for historiske estimater og [navn skjult] for
sediment-geokjemi. [navn skjult] har gransket denne rapporten og Palma
K Larsen har oversatt fra engelsk til norsk. NIVA har bidratt med
tilleggsfinansiering gjennom grunnbevilgningsprosjekt 16018.
Oslo, 13 desember, 2016
Salar Valinia
NIVA 7111-2017
Innholdsfortegnelse
1 Introduksjon .................................................................................................................................. 7
1.1 Prosjektets målsetning ..................................................................................................................................... 7
2 Metodikk ....................................................................................................................................... 7
2.1 Karakteristikk Farrisvann ................................................................................................................................ 7
2.2 Sedimentinnsamling ......................................................................................................................................... 8
2.3 Sedimentanalyser .............................................................................................................................................. 9
2.3.1 Prøveopparbeidelse ............................................................................................................................. 9
2.3.2 Visible near infrared spectroscopy (VNIRS) .................................................................................. 9
2.3.3 Røntgen fluorecens spektroskopi ..................................................................................................... 9
2.3.4 Pb210 datering av sedimentkjerner ..................................................................................................... 9
3 Resultater og diskusjon ............................................................................................................... 10
3.1 Nylige trender for OC-konsentrasjoner i Farrisvann ...............................................................................10
3.2 XRF-sedimentanalyser og VNIRS-rekonstruksjon...................................................................................10
3.3 Fremtidige prediksjoner om OC-konsentrasjoner i Farrisvann ..............................................................14
4 Konklusjoner ............................................................................................................................... 16
5 Referanser.................................................................................................................................... 17
4
NIVA 7111-2017
Sammendrag
Prosjektets målsetning var å lage estimater for historiske og fremtidige endringer i løst organisk karbon
(OC) for Farrisvann med bruk av rekonstrueringer basert på innsjøsedimenter og enkle
modelleringsverktøy. Sedimentkjerner ble tatt fra innsjøen i 2016 og datert ved å bruke Pb isotoper, og det
ble forsøkt å rekonstruere historisk organisk karbon ved hjelp av VNIRS (Visible Near Infrared
Spectroscopy) metoden. Sedimentenes geokjemi viste imidlertid at sedimentprofilen var sterkt påvirket av
redoks-reaksjoner og at rekonstruksjon av historisk akkumulering av organisk karbon derfor ikke var
mulig basert på sedimentkjerner fra selve Farrisvann.
Som et alternativ har vi benyttet rekonstruksjon av historisk organisk karbon i Langtjern, som er en
langtidsovervåket referansesjø i Flå kommune, Buskerud fylke. Både Langtjern og Farrisvann har stort
innslag av skog innenfor sine respektive nedbørfelter og begge ligger innenfor en region av landet som har
hatt en sterk fargeøkning i overflatevann i løpet av de siste 25 år. Det antas derfor at den historiske
avsetningen av organisk karbon i Langtjern også i stor grad vil være representativ for utviklingen i
Farrisvann.
Vi har brukt den historiske sediment-rekonstruksjonen fra Langtjern, lange dataserier for Farrisvann,
klimascenarier for den aktuelle regionen i Norge, samt den nyeste vitenskapelige dokumentasjonen på
karbondynamikk i nedbørfelter for å modellere fremtidige endringer i konsentrasjoner av organisk karbon
frem til 2050. Modellprediksjonene viser at konsentrasjonene av organisk karbon i Farrisvann kan fortsette
å øke med den samme takten som overvåkingsdataene har vist fram til i dag. Vi anbefaler de ansvarlige for
vannbehandlingsanleggene å forvente videre økning i organisk karbon og vannfarge også i tiden fremover.
5
NIVA 7111-2017
Summary
Title: Historical and future changes of organic carbon in Farrisvann
Year: 2017
Author: Salar Valinia, Carolina Olid Garcia, Carsten Meyer-Jacob & [navn skjult]
Source: Norwegian Institute for Water Research, ISBN 978-82-577-6846-1
The aim of this project was to provide historical and future changes in organic carbon (OC) for
Farrisvann using sediment reconstructions and simple modelling tools. Sediment cores were taken from
the lake in 2016 and dated using Pb dating, attempts were made to reconstruct historical OC (VNIRS-
method) but sediment geochemistry showed that redox reactions controlled the sediment profile and OC
reconstructions could not be trusted.
We used data from another Norwegian lake, long-term monitoring data available for Farrisvann and the
most novel scientific knowledge to the model future changes in OC concentrations until 2050. We
predicted the future changes in OC using different scenarios based on historical sediment reconstructions,
monitoring data, and scientific literature
We predict that concentrations of OC in Farrisvann could continue to increase at the same rate as the
monitoring data has shown due to increases in precipitation predicted by the climate models for Norway.
It is unlikely that a combined acidification and climate signal will drive OC concentration in the future as
the recovery from acidification has been substantial. As we were not able to reconstruct historical OC for
Farrisvann, we cannot estimate how much OC changed during acidification. We recommend the water
treatment plants to expect further increases and browner waters in Norway in the future.
6
NIVA 7111-2017
1 Introduksjon
I løpet av de fire siste tiårene har konsentrasjoner av totalt og oppløst organisk karbon (TOC/DOC, heretter
referert til som OC) økt i store deler av den boreale regionen, inkludert Fennoskandia, Canada, Storbritannia
og det nordøstlige USA (Evans et al., 2005; De Wit et al., 2007; Monteith et al., 2007; Couture et al., 2012;
Valinia et al., 2015). OC er avgjørende for økosystemfunksjoner, det globale karbonkretsløpet og er en
kritisk parameter for drikkevannsanlegg (Cole et al., 2007; Battin et al., 2009; Tranvik et al., 2009). Økningen
i OC-konsentrasjon i verdifullt drikkevann er bekymringsverdig fordi det fører til problemer med (i) smak,
farge og lukt på drikkevannet, (ii) medtransport av organiske miljøgifter (Murphy et al., 1990) og
tungmetaller (Frimmel and Huber, 1996), (iii) problemer med membraner og aktivt kull (Summers et al.,
1989), (iv) biprodukter etter desinfeksjon (Lavonen et al., 2013) og (v) påvekst/belegg i
distribusjonssystemet (Camper, 2004).
Det er gjennomført mye forskning for å forstå de underliggende driverene for den nylige økningen i OC-
konsentrasjoner i boreale regioner. Det er en allmenn aksept for at historiske endringer i atmosfærisk nedfall
og forsuring har redusert mobiliteten til OC i jorden, og dermed er den nylig identifiserte økningen knyttet
til redusert forsuring siden reduksjonen av svovel i jorden har mobilisert tidligere tilbakeholdte organiske
stoffer (Monteith et al., 2007; Eimers et al., 2008; Evans et al., 2012; Ledesma et al., 2012; Futter et al., 2014;
Valinia et al., 2015; Ledesma et al., 2016). Andre studier peker også på effekter av klimaendringer og endret
arealbruk (Larsen et al., 2011; Lepistö et al., 2013; Oni et al., 2015).
Effektene på OC-konsentrasjoner av forsuring og den påfølgende gjenhentingen etter forsuring er
vanskelig å kvantifisere ved å bruke overvåkingsdata, siden mye av den storskala overvåkingen startet etter
at effektene av forsuring var identifisert i overflatevann rundt 1970- og 1980-tallet. Metodene for å
rekonstruere OC-konsentrasjoner i innsjøer ved hjelp av sedimentkjerner (VNIRS) ble utviklet tidlig på
2000-tallet (Rosen et al., 2000) og videreutviklet i flere trinn (Cunningham et al., 2011; Rouillard et al.,
2011; Bragée et al., 2015; Meyer-Jacob et al., 2015) med forbedring av kalibreringssettet og
modellusikkerheten.
Denne metoden har blitt benyttet på flere innsjøer i Sverige og for eksempel vist et minimum i OC-
konsentrasjonen under forsuringens maksimum (Bragée et al., 2015; Valinia et al., 2015), mens den i et
lengre tidsperspektiv har vist at effektene av tidlig bosetting og arealbruk er den mest fremtredende
driveren av OC. I noen tilfeller har disse faktorene gitt større absolutte endringer i OC-konsentrasjon enn
endringene som er registrert under forsuringsperioden (Rosen, 2005; Meyer-Jacob et al., 2015). Metoden
Visible Near Infrared Spectroscopy (VNIRS) har blitt brukt for å rekonstruere OC med gode resultater i
Sverige og Canada.
1.1 Prosjektets målsetning
Prosjektet har som målsetning å rekonstruere OC-konsentrasjoner i Farrisvann, tilbake i tid før det ble
samlet inn systematiske overvåkingsdata og samtidig legge grunnlag for prediksjoner av fremtidige OC-
trender.
2 Metodikk
2.1 Karakteristikk Farrisvann
Farrisvann er et stort drikkevannsreservoar nær Larvik i den sørøstlige delen av Norge. Innsjøområdet er
21 km2 og en del av nedbørsfeltet Siljan med et totalareal på 491 km2. Farrisvann er en av de største
drikkevannsreservoarene i Norge som leverer drikkevann til ca 160 000 innbyggere. Farrisvann er en dyp,
kompleks innsjø med en gjennomsnittlig dybde på 35 m og en maksimumsdybde på 140 m (Figur 1).
7
NIVA 7111-2017
Vannets teoretiske oppholdstid er 2,2 år og nedbørsfeltet er hovedsakelig dekket av skog, med noe
industri ved den sørligste delen av innsjøen og små, spredte flekker av jordbruksareal.
Figur 1. Batymetrisk kart av Farrisvann og de ulike overvåkingsstasjonene. Sedimentkjernene ble tatt nær
St. 5 på en utflating rundt 80 meters dyp.
2.2 Sedimentinnsamling
Sedimentprøver ble tatt 2.
juni 2016 med en Willner
gravity-corer. Kjernen ble
tatt fra et akkumulasjons-
område rundt 80 meters dyp
nær stasjon 5 (Figur 1). Et
polyetylenrør (50 cm langt,
6,2 cm indre diameter) ble
brukt for å trekke ut hver
sedimentkjerne (Figur 3).
Sedimentprøvene ble skivet
med 1 cm intervaller (Figur
3) på stedet for å redusere
potensialet for blanding av
sedimentene. Sedimentene
ble holdt avkjølt (4 °C) i
ugjennomsiktige beholdere
og lagret for videre
laboratorieanalyser. De
øverste lagene hadde en
ganske klar rust/rødlig farge
som indikerer høyt
jerninnhold (Figur 2). Figur 2. Sedimentinnsamling i juni 2016 på 80m dyp fra båt. Sedimenter
Lengre ned viste kjernen ble skivet på stedet med 1 cm intervaller.
høy leiredominans.
8
NIVA 7111-2017
2.3 Sedimentanalyser
2.3.1 Prøveopparbeidelse
Sedimentprøver ble frysetørket i 24 timer på 105°C og veid. Når det var mulig (basert på mengde tilgjengelig
materiale) ble prøvene analysert for glødetap (LOI) etter 2 timer på 550 °C for å få frem innholdet av
organiske bestanddeler i jorden. Dette ble utført ved NIVAs laboratorium i Oslo.
2.3.2 Visible near infrared spectroscopy (VNIRS)
Tidligere konsentrasjoner av TOC i innsjøen ble rekonstruert av visible-near-infrared (VNIR) spectroscopy.
Bruk av NIRSystems 6500 instrument utstyrt med en «spinning cup module in diffuse reflectance mode» i
bølgelengdeområdet fra 400 til 2500 nm med 2-nm intervaller gav 1050 datapunkter. Den målte diffuse
refleksjonen (diffuse reflectance; R) ble deretter omdannet til tilsynelatende absorbans (apparent
absorbance, A) etter ligningen: A = log (1/R).
Før analyse ble sedimentene malt til et fint pulver for å redusere effekter av kornstørrelse og ble lagret i det
samme klimakontrollerte rommet som instrumentet for å minimere temperatureffekter. Rekonstruksjonene
av TOC i innsjøvann er basert på en overføringsfunksjon mellom VNIR spektra av overflatesedimenter fra
innsjøen, det siste akkumulerte materialet og de tilhørende TOC-konsentrasjoner i vannsøylen.
Overføringsfunksjonen ble opprinnelig utviklet av Rosen (2005), videreutviklet av Cunningham et al.
(2011) og mer nylig oppdatert av Meyer-Jacob et al. (2015). Den oppdaterte kalibreringsmodellen som ble
brukt i denne studien inkluderer overflatesedimenter fra 140 innsjøer fordelt utover Sverige inkludert
nemorale, boreale og subarktiske områder og dekker en TOC-gradient fra 0.7 til 22 mg L−1 i innsjøvann.
Den oppdaterte modellen består av 7-PLSR-komponenter og viser en kryssvalidert R2 på 0.65 og Root
mean square error (RMSE) av kryssvalidering (RMSECV) på 3.0 mg L−1 (Fig. S1 i Meyer-Jacob et al.
(2015)). Metoden har blitt anvendt med gode resultater i Sverige og Canada.
2.3.3 Røntgen fluorecens spektroskopi
Multi-element geokjemi ved bruk av røntgen fluorecens spektroskopi ble utført for å vurdere de totale
konsentrasjonene av makro-elementer og spor-elementer (Rydberg, 2014) inkludert lithogene elementer
som Ca, Mg, Zr Al og K, spormetaller Fe, Ni, Cu, Zn, As og Pb og mobile/redoks-elementer som S, P og
Mn.
2.3.4 Pb210 datering av sedimentkjerner
For sedimentdatering ble totale 210Pb aktiviteter bestemt indirekte gjennom analyse av datter-elementet
210Po ved å følge metoden beskrevet av Sanchez-Cabeza et al. (1998). 150-200 mg frysetørket og oppmalt
sediment ble tilsatt 209Po og totalt oppløst i surt medium ved hjelp av en analytisk mikrobølgeovn. Etter det
ble Po isotopen belagt på rene sølvplater og talt via -spektrometri med ULTRA-AS Ion-Implanted-Silicon
Charged-Particle Detectors (Ortec, Model U-20-450-AS).
Den vertikale fordelingen av 210Pb blir ofte brukt for å etablere kronologien i sedimentære avsetninger som
er akkumulert i løpet av de siste 100-150 årene (Appleby and Oldfield 1992). For begge kjernene viste 210Pb
avtagende aktiviteter med dybde, etterfulgt av nesten konstante verdier mot kjernebunnen.
Sedimentkronologier basert på overskudds 210Pb (beregnet ved å trekke «supported» 210Pb fra total 210Pb)
ble estimert ved hjelp av CFSC-modellen (Constant Flux, Constant Sedimentasjon) (Krishnaswamy et al.
1971), som forutsetter en konstant 210Pb- fluks og en konstant masseakkumuleringshastighet.
Sedimentalder og akkumuleringshastighet ble estimert fra helningsvinkelen på minste kvadraters tilpasning
for den naturlige logaritmen til 210Pb-aktiviteten plottet mot dybde. For Langtjern ble den mer generelle
CRS-modellen (Constant Rate of Supply) (Appleby and Oldfield 1978) også brukt på grunn av de små
variasjonene fra eksponentielt avtak i de øverste lagene. I motsetning til CFCS er denne modellen basert på
en antagelse om en konstant 210Pb fluks, som muliggjør variasjoner i sedimentasjonsratene. Alderen på en
viss dybde er avledet fra overskuddet av 210Pb akkumulert langs hele dybdeprofilen.
9
NIVA 7111-2017
2.4 Resultater og diskusjon
2.5 Nylige trender for OC-konsentrasjoner i Farrisvann
Overvåkingsdata fra Farrisvann viser økning i OC-konsentrasjoner. Konsentrasjonene er doblet i løpet av
overvåkingsprogrammet (1982-2014), noe som skaper problemer for vannkvalitet og rensing av drikkevann
(Tryland et al 2016). Årlige gjennomsnittskonsentrasjoner viste at både OC og fargemåling har hatt
konsistente årlige og sesongmessige mønstre siden midten av 1980-tallet (Tryland et al 2016), og
sesongmønsteret fulgte den generelle økende trenden i Farrisvann.
Den mer nylige økningen i OC-konsentrasjoner er nært knyttet til reduksjonen i atmosfærisk avsetning av
langtransporterte forurensninger og den påfølgende reduksjonen av svovel- og nitrogeninnholdet i jord og
overflatevann (Fig. 3; fra Tryland et al 2016, i trykk). Reduksjon i atmosfærisk nedfall og surhet i
overflatevann forklarte 0,68 (svovel) og 0,6 (nitrat) av variasjonen i OC. Økningen i atmosfærisk nedfall har
fortrengt OC-mobilitet fra jord til overflatevann, og forårsaker dermed en reduksjon av OC-transport fra
jord. Konsentrasjonene er redusert i perioden med sur nedbør og den siste økningen er sterkt knyttet til
reduksjon av forsuringstrykket og tilbakevending til tilstanden før forsuring (Evans et al., 2012; Valinia et
al., 2015).
7 0,55
6
0,50
5
Sulfate mg/l
Nitrate mg/l
0,45
4
0,40
3
0,35
2
1 0,30
2 3 4 5 6 7 2 3 4 5 6 7
OC mg/l OC mg/l
Figur 3. Forholdet mellom sulfat, nitrat og OC-konsentrasjoner i løpet av overvåkingsperioden (1985-
2014) for Farrisvann. Forholdet (r2) mellom OC og sulfat var 0.68, mens forholdet mellom OC og nitrat
var 0.6. (Figur fra Tryland et al 2016, i trykk).
Et stort drikkevannsreservoar i Sverige (Mälaren) som gir drikkevann til Stockholmsområdet (> 1,5
millioner innbyggere) har en lignende bassengkompleksitet og dybde som Farrisvann. Analyser av endring i
OC-konsentrasjoner viste en meget sterk kobling til vannets oppholdstid, som indikerer at innsjøen (via
mikrobielle aktiviteter og avgassing) endret sammensetningen av OC avhengig av hvor lenge vannet
oppholdt seg i sjøen. Forfatterne konkluderte med at i en kompleks innsjø som ligner på Mälaren kan
plasseringen av råvannsinntaket være avgjørende i en naturlig rensing fra OC-konsentrasjoner før
drikkevannsanlegget, og vurderinger som dette kan gi nyttige retningslinjer og økonomiske fordeler for
vannbehandlingsanlegg (Köhler et al., 2013).
2.6 XRF-sedimentanalyser og VNIRS-rekonstruksjon
OC-rekonstruksjoner av sedimenter fra Farrisvann var ikke vellykket siden redoksreaksjoner og sediment
diagenese dominerte geokjemien i sedimentet. Dette fenomenet kan visualiseres i figur 2 siden
sedimentfargen er "rusten", noe som indikerer høy mobilisering av jern (Fe) og mangan (Mn) i de øverste
lagene av sedimentkjernen. Mengden av Fe (%) av den totale mengden av sediment øker vesentlig mot de
øvre delen av sedimentkjernene, fra 5% til 25% i de øverste 5 cm av kjernen, noe som indikerer en meget
sterk redoks- og diagenese-gradient i sedimentkjernen. Dette er ytterligere forsterket av Mn-mønsteret i
sedimentkjernen. Stabile Mn-konsentrasjoner (ppm) forekom opp til ca 7 cm av kjernen der Mn økte fra
omkring 4000 ppm til 28 000 ppm i det øverste laget av sedimentkjernen.
10
NIVA 7111-2017
Den store økningen av Mn-konsentrasjoner mot de øverste lagene i sedimentkjerne indikerer redoks
gradient i sediment. Mn-konsentrasjonene i sediment målt i Farrisvann er svært høy for den boreale regionen
innsjøen ligger i. Basert på litteraturen vi kjenner til, er det bare i Bajkalsjøen i Sibir som har fått påvist
tilsvarende intense redoks-gradienter (Torres et al., 2014). Mn-konsentrasjon i sediment lik de i Farrisvann
har blitt identifisert i kalkede norske innsjøer, hvor Mn-anrikningen er sterkt knyttet til den raske økningen
i pH etter kalking av innsjøene (Hindar et al., 2015). Denne remobiliseringen av Fe og Mn kan ha en vesentlig
påvirkning på karbonsyklus (C) i sedimentet. De svært høye konsentrasjonene av Mn og Fe i sedimentet
forårsaker betydelig usikkerhet i VNIRS-rekonstruksjoner og metoden kan derfor ikke benyttes for
Farrisvann (Figur 4).
Figur 4. Utvalgte parametere for sediment geokjemi og VNIRS – TOC rekonstruksjoner for Farrisvann.
NB! TOC-rekonstrukjonen er ikke pålitelig pga. for høye Fe og Mn konsentrasjoner i sedimentet.
Selv om vi ikke var i stand til å rekonstruere TOC-konsentrasjoner for Farrisvann, kan vi gjøre det for en
annen norsk innsjø, Langtjern. Langtjern er en
velstudert boreal innsjø i et uforstyrret område
med hensyn til endringer i arealbruk. Forskning
på forsuring startet på begynnelsen av 1970-tallet
og det er et av de viktigste områdene for langsiktig
overvåking i Europa. Langtjern har som
Farrisvann opplevd betydelige økninger i OC-
konsentrasjoner (figur 5) i løpet av de fire siste
tiårene. Økningen av OC i Langtjern er knyttet til
reduksjon av atmosfærisk sur nedbør (De Wit et
al., 2007). Konsentrasjonene av OC i Farrisvann
er litt lavere enn Langtjern, men den relative
endringen er lik for begge områdene i
overvåkingsperioden. Vi var i stand til å
rekonstruere Langtjern siden innsjøen ikke viser Figur 5. Årlige OC-konsentrasjoner for Langtjern for
noen tegn til en redoks-gradient og årene1985-2015
konsentrasjoner for Mn og Fe ikke økte vesentlig
mot det øverste laget av sedimentkjernen. Mn-konsentrasjonen i Langtjern var 60 µg g-1 i det øverste laget
av kjernen, sammenlignet med Farrisvann 28000 µg g-1. Betydelige forskjeller er også identifisert for Fe,
mens Langtjern viser små endringer i de øverste 10 cm av kjernen (ca. 0,5%), Farrisvann svinger mellom 5
og 22% av Fe i sedimentet.
VNIRS-TOC rekonstruksjon av Langtjern viser en vesentlig endring i innsjøvann OC i løpet av de siste par
hundre år (figur 6). Den langsiktige rekonstruksjonen i Langtjern viser en gradvis reduksjon i OC-
11
NIVA 7111-2017
konsentrasjoner i innsjøvannet fra ca. 1200 e.Kr. (nederst i kjernen). Den langsiktige nedgangen i OC i
innsjøvann er knyttet til mengden akkumulert OC i jorda og menneskeskapte endringer, inkludert
arealdisponering i nedbørsfeltet, for eksempel dyr på beite, skogforvaltning og aktiv bruk av land rundt
innsjøen (fig. 6). Den langsiktige nedgangen i OC-konsentrasjoner følger samme mønster som OC-
registreringer som tidligere er rapportert fra Sverige (Cunningham et al., 2011; Rosén et al., 2011; Bragée et
al., 2013a; Bragée et al., 2013b; Bragée et al., 2015; Meyer-Jacob et al., 2015; Valinia et al., 2015). På
begynnelsen av det 20. århundret startet en gradvis økning i sur nedbør over Fennoskandia, en utvikling
som nådde toppen rundt 1970-1980-tallet (Wright et al., 1976; Schopp et al., 2003). Den langsiktige
rekonstruksjonen av OC-konsentrasjoner for Langtjern har et minimum i nærheten av toppen for sur
nedbør (figur 6). I denne perioden var estimerte OC-konsentrasjonen nesten bare halvparten av
konsentrasjonene som rekonstruert ved begynnelsen av det 13. århundre.
Forskjellen mellom overvåkingsdata og rekonstruerte OC-konsentrasjoner for Langtjern er relativt små, noe
som indikerer et godt samsvar mellom overvåking og modellering. Det er verdt å merke seg at modellen
ikke vil fange den årlige variasjonen som vises i overvåkingsdata.
Figur 6. Langtids VNIRS-TOC rekonstruksjon (stiplet linje) av Langtjern og samsvaret med årlig
overvåkingsdata (blå linje) for årene1986-2015.
Vanndirektivets definisjon av referanseperioden er knyttet til pre-industrialisering, urbanisering og
intensivering av jordbruket. Sammenlignet med år 1200 e.Kr. er OC-konsentrasjonene redusert med ca 35%,
der den største nedgangen skjer rundt toppen av forsuringsperioden i 1970-1990. Den relative endringen
mellom pre-industrielle forhold (1850-1860) sammenlignet med dagens forhold tilsvarer en 25% nedgang i
OC-konsentrasjoner. Dette betyr at den store nedgangen mellom 1950-1990 er i samme størrelsesorden
som den langsiktige nedgangen som starter 1200 e.Kr. Det er helt klart at forsuring og økningen i
atmosfærisk nedfall var drivere for endringene i OC løpet av forrige århundre, og at den siste økningen
identifisert ved hjelp av overvåkingsdata er en oppgang i OC knyttet til redusert forsuring i nedbørfeltet.
Den første rekonstruksjonen av OC i en norsk innsjø følger det som tidligere er identifisert i flere svenske
områder, inkludert over store romlige skalaer og innsjøstørrelser (figur 7). I Langtjern var langsiktig
reduksjon av OC knyttet til arealforvaltningen og arealutnyttelse noe større enn effektene av forsuring i
løpet av forrige århundre. Mens effektene av arealutnyttelse har skjedd over hundrevis av år, kan effekten
av forsuring knyttes til det siste århundret. Dette betyr at forsuring har immobilisert OC i jorda med en mye
større rate enn den langsiktige nedgangen, noe som har forårsaket en høyere reduksjonsrate i løpet av det
siste århundret.
Sammenligningen mellom overvåkingsdata og VNIRS-rekonstruksjoner i Sverige har i mange tilfeller vist
at konsentrasjoner av OC nærmer seg konsentrasjonene før forsuring, noe som viser en ekstremt rask
respons av OC i innsjøene på ulike romlige og tidsmessige skalaer (Valinia et al., 2015). Dette er også tilfellet
for Langtjern, der estimerte OC-konsentrasjoner før forsuring er nær konsentrasjoner som er målt i dagens
12
NIVA 7111-2017
overvåkingsdata. Det kan konkluderes med at frigjøringen av OC som har samband med reduusert forsuring
ikke vil ha så sterk effekt i fremtiden, og potensielt vil andre drivere være ansvarlig for ytterligere økning i
OC i fremtiden. Vi vil forvente at dette også er tilfelle for Farrisvann, gitt at det ikke skjer store
menneskeskapte arealbruksendringer i nedbørfeltet.
a) b)
Figur 7. VNIRS-TOC rekonstruksjoner i flere svenske innsjøer med fokus på det siste århundret.
Mininma i OC-konsentrasjoner ble nådd nær til toppen av sur nedbør belastningen. Figurer og videre
forklaringer finnes i a) Valinia et al 2015 og b) Brageé et al 2015.
I nyere studier for Fennoskandia med 474 lokaliteter, inkludert drikkevannsreservoarer, elver, bekker og
innsjøer på tvers av en rekke nedbørsfeltstørrelser og arealtyper er det påvist en sammenheng mellom
nedbør og økning i OC over en bredt geografisk gradient (de Wit et al., 2016). Undersøkelsen viste at det er
en meget sterk positiv sammenheng mellom OC-konsentrasjoner og nedbør i den tørre boreale regionen
<700 mm / år og at styrken reduseres når du går til mer fuktige områder. En negativ sammenheng ble påvist
i de våteste områdene > 1400 mm / år (figur 8). Resultatene viste at en 10% økning i nedbør (basert på
fremtidig klimaprediksjonsmodellering) kan føre til en 32-76% økning i OC-konsentrasjoner i Fennoskandia
innen 30-50 år på grunn av et våtere klima (de Wit et al., 2016).
Figur 8. Forhold mellom median OC-konsentrasjoner og median årlig nedbør for 474 områder på tvers
av Fennoskandia. Figur og forklaringer finnes i de Wit et al 2016.
13
NIVA 7111-2017
Den langsiktige mediannedbøren (1970-2015) var 1002 mm/år i Farrisvann noe som faller innenfor den
"boreale våte" regionen hvor nedbøren varierer fra 800-1100 mm/år. En 10% økning i nedbør kan, basert
på beregningene gitt over, øke OC-konsentrasjonene med 35% fram til 2050.
2.7 Fremtidige prediksjoner om OC-konsentrasjoner i Farrisvann
Nedenfor er det gitt en vurdering av hvor mye OC-konsentrasjoner kan øke på grunn av ulike faktorer i
Farrisvann. Det er viktig å understreke at disse fremtidige prediksjonene er basert på forenklinger av
virkeligheten og at mer komplekse interaksjoner kan oppstå i løpet av denne tiden, eller at det kommer inn
andre drivere som vi med dagens kunnskap kan ikke forutsi. Faktorer som stormer og ekstreme hendelser
har ikke blitt inkludert i denne analysen på grunn av usikkerheter i både frekvens, intensitet og effekt på
OC-dynamikken.
Den enkleste måten å forutsi fremtidige endringer er basert på lineær økning (Mann-Kendall test), som
forutsetter ingen endring i drivere i fremtiden eller svekkelse av trenden (figur 9, svart stiplet linje). Den
viktigste driveren for den senere tids økning av OC i Farrisvann har vært nedgang i sulfat- og nitrat-
konsentrasjoner fra atmosfæriske kilder (figur 3). Konsentrasjoner knyttet til atmosfærisk nedfall nærmer
seg nå pre-industrielle nivåer, og det er lite sannsynlig med store endringer i dette mønsteret i fremtiden.
Forståelsen av hvilke effekter atmosfærisk forsuring hadde på OC-konsentrasjoner styrkes ved hjelp av
rekonstruksjonene som er gjennomført i Norge og Sverige. Den årlig økning av OC i Farrisvann var (0,07
mg/l). Sammenlignet med konsentrasjoner i målt i 2014, er det predikert en fortsatt økning i OC-
konsentrasjoner med 39% fram til 2050.
Figur 9. Fremtidige prediksjoner (2050) av OC-konsentrasjoner i Farrisvann basert på langtids
overvåkingsdata. Den grå linjen representerer Mann-Kendall Sen-slope på 0,07 mg / l basert på tidsserien
fra 1980 (Tryland et al, i trykk). De grønne og blå stiplede linjene er basert på forholdet mellom OC og
en nedbør-økning på henholdsvis 5 og 10% (de Wit et al 2016).. Den røde linjen er den kombinerte
effekten av fortsatt trendøkning (0,07 mg/l) og en nedbørøkning på 10% frem til 2050.
Vi estimerte effekten av fremtidig nedbør på OC-konsentrasjoner med forholdet utviklet av de Wit et al.
(2016). Dette indikerer en 35% økning i OC-konsentrasjoner from mot 2050, gitt en 10% økning av nedbør
i samme periode (Figur 8). Vi ser dette scenariet som troverdig siden de fleste klimamodeller viser en
betydelig økning i nedbør i Fennoskandia, og i dette området vil økningen i nedbør påvirke hydrologi og
14
NIVA 7111-2017
dermed også lateral eksport av OC fra jord til overflatevann. Hvis en regner inn en viss effekt av fortsatt
redusert sur nedbør fram mot 2050 og en nedbør-økning på 10% (grå kurve i figur 9) kan man forvente at
OC-konsentrasjonen i Farrisvann øker med om lag samme takt fram mot 2050 som den vi opplever i dag.
Vi kombinerte effektene av redusert forsuring og de potensielle effektene av fremtidig økning i nedbør for
å utvikle et "worst case scenario", der økningen identifisert i overvåkingsperioden fortsetter med
ytterligere press fra framtidens klima. I dette scenariet vil konsentrasjonen øke med 75% fram til 2050,
som er dobbelt så mye som identifisert i overvåkingsperioden (Figur 9, rød stiplet linje). Dette scenariet
ville gi Farrisvann OC-konsentrasjoner som er fire ganger høyere enn i begynnelsen av
overvåkingsperioden. Dette scenariet er potensielt «worst case», mens det har vært vist tidligere at
ekstreme hendelser (flom, tørke) kan gi en alvorlig økning av OC-konsentrasjoner i vannsøylen, og at det
tar flere år for konsentrasjonene å avta igjen.
15
NIVA 7111-2017
3 Konklusjoner
VNIRS-OC rekonstruksjon var upålitelig for Farrisvann siden det var et sterkt redokssignal
i sedimentprofilen.
Historiske rekonstruksjoner basert på en norsk og flere svenske innsjøer viser at forsuring
er den viktigste driveren av OC i løpet av det forrige århundret, og at konsentrasjonene i
dag har returnert til konsentrasjoner som trolig var typiske før forsuring i Norge og Sverige.
Dersom økningen i OC fortsetter likt den overvåkning data) 1982-2014, og redusert
forsuring er hoveddriveren i fremtiden, kan OC-konsentrasjonen øke med 39% fram til
2050. Dette er ikke sannsynlig som forsuring har falt kraftig siden 90-tal.
Fremtidige nedbørsøkninger på 5 og 10% i Farrisvann kan føre til opp til en18- 35% økning
i OC-konsentrasjoner frem til 2050, som er like stor som den identifiserte økningen mellom
1985-2014.
Hvis flere stressorer opptrer samtidig, slik som framtidige klimaendringer og gjenhenting
fra forsuring, kan OC-konsentrasjonene øke betydelig fram til 2050. som et «worts case»
scenario kan effekten av økt nedbør og gjenhenting fra forsuring føre til opptil 75% økning
i OC sammenlignet med dagens konsentrasjoner og om lag en 300% økning siden tidlig på
1980-tallet.
Vi kan forvente en ytterligere økning i OC-konsentrasjoner i Farrisvann i fremtiden, og
planlegging av renseprosesser bør gjøres med hensyn til framtidige klimaendringer som den
viktigste driveren av økninger i OC.
16
NIVA 7111-2017
4 Referanser
Battin, T.J., Luyssaert, S., Kaplan, L.A., Aufdenkampe, A.K., Richter, A. and Tranvik, L.J., 2009. The
boundless carbon cycle. Nature Geoscience 2(9) 598-600.
Bragée, P., Choudhary, P., Routh, J., Boyle, J.F. and Hammarlund, D., 2013a. Lake ecosystem responses
to catchment disturbance and airborne pollution: an 800-year perspective in southern Sweden. Journal of
Paleolimnology 50(4) 545-560.
Bragée, P., Mazier, F., Rosén, P., Fredh, D., Broström, A., Granéli, W. and Hammarlund, D., 2013b.
Forcing mechanisms behind variations in total organic carbon (TOC) concentration of lake waters during
the past eight centuries–palaeolimnological evidence from southern Sweden. Biogeosciences Discussions
10(12) 19969-20003.
Bragée, P., Mazier, F., Nielsen, A.B., Rosén, P., Fredh, D., Broström, A., Granéli, W. and Hammarlund,
D., 2015. Historical TOC concentration minima during peak sulfur deposition in two Swedish lakes.
Biogeosciences 12(2) 307-322.
Camper, A.K., 2004. Involvement of humic substances in regrowth. International journal of food
microbiology 92(3) 355-364.
Cole, J.J., Prairie, Y.T., Caraco, N.F., McDowell, W.H., Tranvik, L.J., Striegl, R.G., Duarte, C.M.,
Kortelainen, P., Downing, J.A., Middelburg, J.J. and Melack, J., 2007. Plumbing the Global Carbon Cycle:
Integrating Inland Waters into the Terrestrial Carbon Budget. Ecosystems 10(1) 172-185.
10.1007/s10021-006-9013-8
Couture, S., Houle, D. and Gagnon, C., 2012. Increases of dissolved organic carbon in temperate and
boreal lakes in Quebec, Canada. Environmental Science and Pollution Research 19(2) 361-371.
Cunningham, L., Bishop, K., Mettavainio, E. and Rosen, P., 2011. Paleoecological evidence of major
declines in total organic carbon concentrations since the nineteenth century in four nemoboreal lakes.
Journal of Paleolimnology 45(4) 507-518. Doi 10.1007/S10933-010-9420-X
De Wit, H.A., Mulder, J., Hindar, A. and Hole, L., 2007. Long-term increase in dissolved organic carbon
in streamwaters in Norway is response to reduced acid deposition. Environmental Science & Technology
41(22) 7706-7713.
de Wit, H.A., Valinia, S., Weyhenmeyer, G.A., Futter, M.N., Kortelainen, P., Austnes, K., Hessen, D.O.,
Raike, A., Laudon, H. and Vuorenmaa, J., 2016. Current Browning of Surface Waters will be Further
Promoted by Wetter Climate. Environmental Science & Technology Letters.
EC 2000. Directive 2000 ⁄60 ⁄EC of the European Parliament and on the Council of 23 October 2000
establishing a framework for Community action in the field of water policy. (Official Journal L; 327 )(1)
Eimers, M.C., Watmough, S.A., Buttle, J.M. and Dillon, P.J., 2008. Examination of the potential
relationship between droughts, sulphate and dissolved organic carbon at a wetland‐draining stream.
Global Change Biology 14(4) 938-948.
Evans, C.D., Monteith, D.T. and Cooper, D.M., 2005. Long-term increases in surface water dissolved
organic carbon: Observations, possible causes and environmental impacts. Environmental Pollution
137(1) 55-71. Doi 10.1016/J.Envpol.2004.12.031
Evans, C.D., Jones, T.G., Burden, A., Ostle, N., Zieliński, P., Cooper, M.D., Peacock, M., Clark, J.M.,
Oulehle, F. and Cooper, D., 2012. Acidity controls on dissolved organic carbon mobility in organic soils.
Global Change Biology 18(11) 3317-3331.
Frimmel, F. and Huber, L., 1996. Influence of humic substances on the aquatic adsorption of heavy
metals on defined mineral phases. Environment International 22(5) 507-517.
Futter, M., N., Valinia, S., Löfgren, S., Köhler, S.J. and Fölster, J., 2014. Long-term trends in water
chemistry of acid-sensitive Swedish lakes show slow recovery from historic acidification. Ambio.
10.1007/s13280-014-0563-2
Hindar, A., Couture, R.-M., Eriksen, T.E. and Rognerud, S., 2015. Mechanisms for metal nodule
formation on sediment surfaces of limed lakes.
Köhler, S.J., Kothawala, D., Futter, M.N., Liungman, O. and Tranvik, L., 2013. In-lake processes offset
increased terrestrial inputs of dissolved organic carbon and color to lakes. Plos One 8(8) e70598.
17
NIVA 7111-2017
Larsen, S., Andersen, T. and Hessen, D.O., 2011. Climate change predicted to cause severe increase of
organic carbon in lakes. Global Change Biology 17(2) 1186-1192.
Lavonen, E.E., Gonsior, M., Tranvik, L.J., Schmitt-Kopplin, P. and Kohler, S.J., 2013. Selective
chlorination of natural organic matter: Identification of previously unknown disinfection byproducts.
Environmental Science & Technology 47(5) 2264-2271.
Ledesma, J.L., Futter, M.N., Laudon, H., Evans, C.D. and Köhler, S.J., 2016. Boreal forest riparian zones
regulate stream sulfate and dissolved organic carbon. Science of the Total Environment 560 110-122.
Ledesma, J.L.J., Köhler, S.J. and Futter, M.N., 2012. Long-term dynamics of dissolved organic carbon:
Implications for drinking water supply. Science of the Total Environment 432(0) 1-11.
10.1016/j.scitotenv.2012.05.071
Lepistö, A., Futter, M.N. and Kortelainen, P., 2013. Almost 50 years of monitoring shows that climate,
not forestry, controls long‐term organic carbon fluxes in a large boreal watershed. Global Change Biology.
Meyer-Jacob, C., Tolu, J., Bigler, C., Yang, H. and Bindler, R., 2015. Early land use and centennial scale
changes in lake-water organic carbon prior to contemporary monitoring. Proceedings of the National
Academy of Sciences. 10.1073/pnas.1501505112
Monteith, D.T., Stoddard, J.L., Evans, C.D., de Wit, H.A., Forsius, M., Høgåsen, T., Wilander, A.,
Skjelkvåle, B.L., Jeffries, D.S. and Vuorenmaa, J., 2007. Dissolved organic carbon trends resulting from
changes in atmospheric deposition chemistry. Nature 450(7169) 537-540.
Murphy, E.M., Zachara, J.M. and Smith, S.C., 1990. Influence of mineral-bound humic substances on the
sorption of hydrophobic organic compounds. Environmental Science & Technology 24(10) 1507-1516.
Oni, S.K., Tiwari, T., Ledesma, J.L., Ågren, A.M., Teutschbein, C., Schelker, J., Laudon, H. and Futter,
M.N., 2015. Local‐and landscape‐scale impacts of clear‐cuts and climate change on surface water
dissolved organic carbon in boreal forests. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences 120(11) 2402-
2426.
Rosen, P., 2005. Total organic carbon (TOC) of lake water during the Holocene inferred from lake
sediments and near-infrared spectroscopy (NIRS) in eight lakes from northern Sweden. Biogeochemistry
76(3) 503-516. Doi 10.1007/S10533-005-8829-1
18
NIVA: Norges ledende kompetansesenter på vannmiljø
NIVA gir offentlig vannforvaltning, næringsliv og allmennheten
grunnlag for god vannforvaltning gjennom oppdragsbasert
forsknings-, utrednings- og utviklingsarbeid. NIVA kjennetegnes
ved stor faglig bredde og godt kontaktnett til fagmiljøer i inn- og
utland. Faglig tyngde, tverrfaglig arbeidsform og en helhetlig
tilnærmingsmåte er vårt grunnlag for å være en god rådgiver for
forvaltning og samfunnsliv.
Gaustadalléen 21 • 0349 Oslo
Telefon: 02348 • Faks: 22 18 52 00
www.niva.no • post@niva.no
Tekst er automatisk ekstrahert fra originaldokumentet. For autoritativt innhold, se originalfilen.