An individual-based model of pigment flux in lakes: implications for organic biogeochemistry and paleoecology

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Abstract

Vertical fluxes of pigments are used in limnology to monitor phytoplankton abundance, herbivore grazing, ecosystem efficiency, and historical changes in production. However, significant pigment degradation can occur during algal sedimentation. We used an individual-based model of pigment flux to quantify the relative importance of production and degradation as controls of pigment sedimentation. Pigment deposition increased with production, sinking rate, and phytoplankton depth and declined as lake depth and the depth of oxygen penetration increased. Unexpectedly, pigment sedimentation rate was not sensitive to variation in photooxidation rates, even though bleaching accounted for the second greatest amount of pigment loss. Digestion by zooplankton caused the most pigment degradation, but grazing increased pigment deposition when digestive losses were less than those due to oxidation of pigments in ungrazed cells. The model suggests that algal production may be underestimated in sedimentation studies that do not consider variability in water column depth. Further, comparisons with paleoecological analyses suggest that some inferred increases in production during lake ontogeny may arise from changes in regulation of pigment fluxes rather than from increased algal production.

Les flux verticaux de pigments servent en limnologie à surveiller l'abondance du phytoplancton, le broutage par les herbivores, l'efficience de l'écosystème et les changements historiques dans la production. Toutefois, une dégradation importante des pigments peut se produire pendant la sédimentation des algues. Nous nous sommes servis d'un modèle individualisé des flux de pigments pour quantifier l'importance relative de la production et de la dégradation comme contrôles de la sédimentation des pigments. Le dépôt de pigments augmentait avec la production, le rythme de descente et la profondeur du phytoplancton, et baissait à mesure qu'augmentaient la profondeur du lac et la profondeur de pénétration de l'oxygène. De façon imprévue, le taux de sédimentation des pigments n'était pas sensible aux variations des taux de photo-oxydation, même si la décoloration constituait le deuxième facteur de perte de pigments, le premier étant la digestion par le zooplancton; toutefois, le broutage accroissait le dépôt de pigments quand les pertes digestives étaient inférieures à celles qui étaient dues à l'oxydation dans les cellules non broutées. Le modèle permet de penser que la production algale est sous-estimée dans les études de sédimentation qui ne tiennent pas compte de la variabilité de la profondeur dans la colonne d'eau. En outre, les comparaisons avec les analyses paléoécologiques indiquent que certaines augmentations supposées de la production pendant l'ontogénie des lacs pourraient être causées par des changements dans la régulation des flux de pigments plutôt que par une hausse de la production algale.

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