Nutrient and sediment dynamics in a Mediterranean shallow lake in southwest Spain

Abstract

Temporal and spatial variations in the nutrient concentrations of lake water and surface sediments and in settling and resuspension rates were assessed in a Mediterranean shallow lake (Medina Lake, southern Spain) using a combination of short- term and long-time monitoring. Our results confi rmed the high temporal (inter- and intra-annual) variability characterising Mediterranean shallow lakes, which is also enhanced by water level fl uctuations. The results also underlined the crucial role of phosphorus (P) exchange across the sediment-water interface in controlling P dynamics in lake water. This statement is supported by (i) the existence in the upper 1 cm of the sediment of 18 times the mass of TP of the whole water column and, hence, the high potential impact of P released from the sediment into the overlying column and by (ii) the strong P limitation of planktonic primary production, as refl ected by a DIN:TP atomic ratio much higher than 16. Resuspension, co-precipitation with CaCO3 and adsorption onto iron hydroxides (FeOOH) all had major effects on the P exchange across the sediment-water interface. Wind-induced resuspension (31 ± 13 % of the settled matter) explained the extremely high gross sedimentation rates (40 ± 11 g m–2 d–1 ) recorded for a 24 h period. P adsorption onto FeOOH controlled internal P loading during the winter (FeOOH: Pmobile > 15). During the summer, the low availability of FeOOH (Fe:Pmobile < 15) refl ected the inability of FeOOH to control P adsorption. The SRP concentrations in lake water were much higher than necessary for CaCO3 and P co-precipitation, explaining the high contribution of P bound to CaCO3 (PHCl ) to the total P in the sediment of the study site and demonstrating the importance of CaCO3 precipitation for removing P from lake water.

En este trabajo se estudia la distribución temporal y espacial de los nutrientes en el agua y en el sedimento superfi cial así como las tasas de sedimentación y resuspensión en una laguna somera Mediterránea (laguna de Medina, Sur de España). Para ello se ha empleado una doble aproximación basada en un seguimiento a corto (muestreos intensivos) y a largo plazo (seguimiento estacional). Nuestros resultados han confi rmado la elevada variabilidad temporal (inter e intra-anual) que caracteriza a los lagos someros mediterráneos, y que es favorecida por las fl uctuaciones en el nivel de agua. Además, se ha observado el importante papel que juega el intercambio de fósforo (P) a través de la interfase agua-sedimento sobre la dinámica de este nutriente en la columna de agua. Esta afi rmación se sustenta en: (i) la existencia en el sedimento superfi cial (1 cm) de 18 veces la masa de TP presente en toda la columna de agua; y en (ii) la fuerte limitación de la producción primaria planctónica por P, refl ejada por una razón atómica DIN:TP muy superior a 16. La resuspensión, la precipitación con carbonato cálcico (CaCO3 ) y la adsorción sobre hidróxidos de hierro (FeOOH) son los procesos físicos y químicos más relevantes que afectan al intercambio de P en la interfase agua-sedimento. La resuspensión (31 ± 13 % del material sestónico) inducida por el viento es el principal factor responsable de la extremadamente elevada tasa de sedimentación de partículas en la laguna de Medina (40 ± 11 g m–2 d–1 ), registradas durante períodos de 24h. Por otro lado, la adsorción de P sobre FeOOH limita la carga interna de P durante el invierno (FeOOH: Pmóvil > 15); mientras que durante el verano, la escasa disponibilidad de FeOOH (Fe:Pmóvil < 15) indica un papel secundario de los FeOOH en el control de la carga interna de P. Finalmente, la existencia de concentraciones de fósforo reactivo soluble (SRP) en la columna de agua muy superiores a las estimadas como necesarias para que tenga lugar la co-precipitación con CaCO3 , es la responsable de que la fracción más importante de P sedimentario sea la asociada al CaCO3 , confi rmando la importancia de este proceso químico para la retención de P en el sedimento