Effects of hydrological connectivity on the ecology of Arctic lakes

Climate change is affecting ecosystems worldwide, but Arctic amplification makes the Arctic one of the fastest changing environments and is thus one of the most vulnerable. Changes occurring in the Arctic impact not only local flora, fauna, and human communities, but are also expected to have a feedback effect on a global scale in the long term. Understanding the processes governing the observed shifts in the Arctic and hotspots of change is crucial for determining adaptation strategies as climate change progresses. Arctic lakes as integrators of the landscape allow us to determine changes taking place in the surrounding landscape. Therefore, studying Arctic lakes in combination with their watersheds can help in the early detection of regional shifts. Indicators of changes in Arctic lakes are the planktonic communities, which, through their specific composition and metabolic pathways processing carbon exhibit the first response to alterations in the environment. However, limited information about Arctic freshwater ecosystems and their functioning is available, with even less known about the effect of hydrological connectivity along the watershed. In this doctoral work, 35 lakes in the Greiner Lake watershed, Nunavut, were studied to determine their trophic and metabolic states, as well as the mechanisms of carbon transfer at the base of the food web, considering the influence of hydrological connectivity in the watershed. The dispersion of the lakes, their position in the watershed (i.e., headwater, midstream or downstream), and their diverse sizes and depths (i.e., depth <1, 1-10 or >10 m) were a representative sample of the total watershed. Results from this study revealed that the size, depth, and position of lakes along the hydrological connectivity network, coupled with the flat and organic-poor characteristic of the landscape, the absence of permafrost degradation and the high evaporation rates in this region were important determinants for the biological processes in the lakes. The trophic state of the lakes was mostly oligotrophic or ultraoligotrophic, except for one eutrophic lake ERA5 with more than 40% of cyanobacteria in the phytoplankton biovolume. A higher trophic state was found in shallow disconnected lakes representing headwater sites compared to larger, hydrologically connected lakes. The lake metabolism was mostly net autotrophic for headwater lakes and at metabolic equilibrium in larger midstream and downstream lakes. The positive metabolic state was associated with the internal recycling of nutrients, notably phosphorus, autochthonous organic matter, and high light penetration. Additionally, zooplankton in all lakes heavily relied on planktonic sources (as opposed to benthic and terrestrial sources) along the depth-connectivity gradient, but with higher quality of fatty acids available in deeper lakes (i.e., > 1 m). Deep lakes harbored a larger proportion of mixotrophic and heterotrophic picoplankton, likely upgrading carbon resources for zooplankton. The findings in this study emphasize the vulnerability of shallow headwater lakes to increasing warming conditions and resulting increasing evaporation rates in this environment. Given that shallow autotrophic lakes are the major component of the watershed, the loss of these sites of net organic matter production could influence the local carbon budget. Also, the behavior of food webs in shallow lakes provides an example of what could happen to lakes in the 1-10 m depth category, potentially changing the trophic state of lakes and increasing the content of cyanobacteria poor in essential fatty acids with cascading effects for the rest of the food web. Finally, this study underscores the importance of studying lakes at a watershed scale, suggesting future studies to contemplate the interaction of lakes with the landscape, especially in the rapidly-changing Arctic. Le changement climatique affecte les écosystèmes du monde entier, mais l'amplification arctique fait de l'Arctique l'un des environnements qui évoluent le plus rapidement et donc l'un des plus vulnérables. Les changements qui se produisent dans l'Arctique ont un impact non seulement sur la flore, la faune et les communautés humaines locales, mais ils devraient également avoir un effet de rétroaction à l'échelle mondiale à long terme. Il est essentiel de comprendre les processus qui régissent les changements observés dans l'Arctique et les points critiques du changement pour déterminer les stratégies d'adaptation au fur et à mesure que le changement climatique progresse. Les lacs arctiques, en tant qu'éléments intégrateurs du paysage, nous permettent de déterminer les changements qui se produisent dans le paysage environnant. Par conséquent, l'étude des lacs arctiques en combinaison avec leurs bassins versants peut contribuer à la détection précoce des changements régionaux. Les indicateurs des changements dans les lacs arctiques sont les communautés planctoniques qui, par leur composition spécifique et leurs voies métaboliques de traitement du carbone, sont les premières à réagir aux altérations de l'environnement. Cependant, les informations disponibles sur les écosystèmes d'eau douce de l'Arctique et leur fonctionnement sont limitées, et l'on en sait encore moins sur l'effet de la connectivité hydrologique le long du bassin versant. Dans ce travail de doctorat, 35 lacs du bassin versant du lac Greiner, au Nunavut, ont été étudiés pour déterminer leur état trophique et métabolique, ainsi que les mécanismes de transfert du carbone à la base du réseau trophique, en tenant compte de l'influence de la connectivité hydrologique dans le bassin versant. La dispersion des lacs, leur position dans le bassin versant (c'est-à-dire en amont, au milieu ou en aval), ainsi que la diversité de leurs tailles et de leurs profondeurs (c'est-à-dire profondeur <1, 1- 10 ou >10 m) constituaient un échantillon représentatif de l'ensemble du bassin versant. Les résultats de cette étude ont révélé que la taille, la profondeur et la position des lacs le long du réseau de connectivité hydrologique, associées aux caractéristiques plates et pauvres en matières organiques du paysage, à l'absence de dégradation du pergélisol et aux taux d'évaporation élevés dans cette région, étaient des facteurs déterminants pour les processus biologiques dans les lacs. L'état trophique des lacs était principalement oligotrophe ou ultraoligotrophe, à l'exception d'un lac eutrophe, ERA5, avec plus de 40 % de cyanobactéries dans le biovolume phytoplanctonique. Un état trophique plus élevé a été constaté dans les lacs déconnectés peu profonds représentant des sites d'eaux d'amont par rapport à des lacs plus grands et connectés sur le plan hydrologique. Le métabolisme des lacs était principalement autotrophe net pour les lacs d'amont et à l'équilibre métabolique dans les lacs plus grands situés en amont et en aval. L'état métabolique positif était associé au recyclage interne des nutriments, notamment du phosphore, de la matière organique autochtone et à une forte pénétration de la lumière. En outre, le zooplancton de tous les lacs dépendait fortement des sources planctoniques (et non des sources benthiques et terrestres) le long du gradient de profondeur-connectivité, mais avec une meilleure qualité d'acides gras disponibles dans les lacs plus profonds (c.-à-d. > 1 m). Les lacs profonds abritaient une plus grande proportion de picoplancton mixotrophe et hétérotrophe, améliorant probablement les ressources en carbone pour le zooplancton. Les résultats de cette étude soulignent la vulnérabilité des lacs d'amont peu profonds face au réchauffement et à l'augmentation des taux d'évaporation qui en résulte dans cet environnement. Étant donné que les lacs autotrophes peu profonds constituent la principale composante du bassin versant, la perte de ces sites de production nette de matière organique pourrait influencer le bilan carbone local. En outre, le comportement des réseaux alimentaires dans les lacs peu profonds donne un exemple de ce qui pourrait arriver aux lacs d'une profondeur de 1 à 10 m, ce qui pourrait modifier l'état trophique des lacs et augmenter la teneur en cyanobactéries pauvres en acides gras essentiels, avec des effets en cascade sur le reste du réseau alimentaire. Enfin, cette étude souligne l'importance d'étudier les lacs à l'échelle d'un bassin versant, suggérant de futures études pour envisager l'interaction des lacs avec le paysage, en particulier dans l'Arctique qui est en évolution rapide.

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