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Biological implications of empirical models of winter oxygen depletion

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Abstract:

We compiled data for 23 North American temperate zone lakes to assess three alternative winter O2 depletion models for estimating O2 dynamics from freezing to thawing. Dissolved O2 concentrations were constant or declined slightly for an average of 40 days after freezing and then declined rapidly. Once O2 concentrations reached 1–3 mg·L–1, consumption slowed. No model that we fit captured O2 dynamics shortly after freezing. The best fit was a one-pool exponential decay model after one to four initial data were removed. Photosynthesis and freeze-out estimates suggest that O2 inputs are more important in shallow than in deep lakes. Oxygen decay rates (k) correlated with morphometry in shallow lakes and chlorophyll a, Secchi depth, and the sediment surface area to volume ratio in deep lakes. We hypothesize that the failure of chlorophyll a to correlate with k in shallow lakes is because macrophytes are the primary source of decaying organic matter but have not been included in assessments of winter O2 depletion. Thus, some processes in deep lakes cannot simply be scaled to smaller scales in shallow lakes.

La compilation de données provenant de 23 lacs tempérés d'Amérique du Nord a permis d'évaluer trois modèles différents d'estimation de la dynamique de l'épuisement de l'oxygène à partir de l'engel jusqu'au dégel. Les concentrations d'oxygène dissous restent stables ou déclinent légèrement durant les 40 premiers jours après l'engel en moyenne, pour ensuite décliner rapidement. Lorsque les concentrations d'oxygène atteignent 1–3 mg·L–1, la consommation d'oxygène ralentit. Aucun des modèles utilisés ne décrit adéquatement la dynamique de l'oxygène peu après l'engel. Le modèle le mieux ajusté est un modèle exponentiel de décomposition à un seul pool, duquel on a enlevé de une à quatre des premières données. Les estimations de photosynthèse et d'épuisement d'oxygène indiquent que les apports d'oxygène sont plus importants dans les lacs peu profonds que dans les lacs profonds. Les taux de disparition de l'oxygène (k) sont en corrélation avec la morphométrie dans les lacs peu profonds et avec la chlorophylle a, la profondeur de Secchi et le rapport surface des sédiments : volume du lac dans les lacs profonds. Le fait qu'il n'y ait pas de corrélation entre la chlorophylle a et k dans les lacs peu profonds, est dû, croyons-nous, à ce que les macrophytes sont la source principale de matière organique en décomposition, mais qu'ils n'ont pas été inclus dans l'évaluation de l'épuisement de l'oxygène pendant l'hiver. Ainsi, certains processus en opération dans les grands lacs ne peuvent pas être appliqués aux lacs peu profonds par simple réduction d'échelle.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: September 1, 2001

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  • Published continuously since 1901 (under various titles), this monthly journal is the primary publishing vehicle for the multidisciplinary field of aquatic sciences. It publishes perspectives (syntheses, critiques, and re-evaluations), discussions (comments and replies), articles, and rapid communications, relating to current research on cells, organisms, populations, ecosystems, or processes that affect aquatic systems. The journal seeks to amplify, modify, question, or redirect accumulated knowledge in the field of fisheries and aquatic science. Occasional supplements are dedicated to single topics or to proceedings of international symposia.
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