Modelling lake algae
2025 (English) Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic) Alternative title
Modellering av alger i sjöar (Swedish)
Abstract [en]
Lakes are a vital part of the environment, contributing a multitude of ecosystem services and play an important role in global warming and carbon cycling. The biological communities within lakes, particularly primary producers like algae, are fundamental to their function. Traditionally, theoretical research has focused on pelagic algae that float freely in the water, often overlooking the important benthic algae that live on lake bottoms and the dynamic interactions between the two. Moreover, the models used to study these systems have often simplified lakes into a single vertical dimension, which limits their ability to capture the complexity of horizontal processes, varied lake topographies, and the dynamics of benthic algae. This dissertation addresses these limitations by developing a novel two-dimensional modelling framework called 'Lake2D', which improves upon the traditional, spatially limited one-dimensional models by incorporating variable lake depths and horizontal heterogeneity. Using this model, we performed a comprehensive investigation of how fundamental drivers, such as lake size, maximum depth, water clarity, nutrient content, and mixing conditions influence the biomass and the spatial distribution of both pelagic and benthic algae within lakes. The findings from this research confirm and expand upon several established ecological principles, and also reveal novel phenomena that only emerge when horizontal transport and varying lake depth are taken into account. This work not only highlights the value of including horizontal heterogeneity in algal models, but also provides new insights into algal dynamics that can serve as a baseline for future research. The insights gained from this conceptual approach can be used as a tool to better understand and untangle the complex interactions between physical and biological processes using more detailed and complex models of aquatic ecosystems.
Abstract [sv]
Sjöar är en livsviktig del av miljön, eftersom de bidrar med en mängd olika ekosystemtjänster och spelar en viktig roll i den globala uppvärmningen och globala kolcykeln. Levande organismer i sjöar, särskilt primärproducenter så som alger, är grundläggande för dess funktion. Traditionellt har teoretisk forskning fokuserat på pelagiska alger som lever fritt i vattenmassan, och har ofta förbisett de viktiga bentiska algerna som lever på sjöbotten samt interaktionerna mellan dessa två typer av alger. De modeller som använts för att studera alger har dessutom ofta förenklat sjöar till en enda vertikal dimension, vilket begränsar deras förmåga att fånga komplexiteten hos horisontella processer, varierande sjötopografi och dynamiken för bentiska alger. Denna avhandling bemöter dessa begränsningar genom att utveckla ett nytt, tvådimensionellt modelleringsramverk kallat Lake2D. Denna modell förbättrar traditionella, rumsligt begränsade 1D-modeller genom att inkludera varierande sjödjup och horisontell heterogenitet. Med hjälp av denna modell genomförde vi en omfattande undersökning av hur grundläggande drivkrafter som sjöstorlek, sjödjup, vattenklarhet och omblandningsförhållanden påverkar den totala biomassan och den rumsliga fördelningen av både pelagiska och bentiska alger i sjöar. Resultaten från denna forskning avslöjar nya fenomen som endast uppstår när horisontell transport och varierande sjödjup tas i beaktning. Detta arbete belyser inte bara värdet av att inkludera horisontell heterogenitet i modeller av alger, utan ger också nya insikter i algers dynamik som kan fungera som en grund för framtida forskning. Insikterna från detta konceptuella arbete kan användas som ett verktyg för att bättre förstå och reda ut komplexa interaktioner mellan fysiska och biologiska processer med hjälp av mer detaljerade och komplexa modeller av akvatiska ekosystem.
Place, publisher, year, edition, pages Umeå: Umeå University, 2025. , p. 51
Keywords [en]
algal modelling, lake ecology, primary production, pelagic algae, benthic algae, nutrient cycling, differential equations
National Category
Ecology
Research subject biology
Identifiers URN: urn:nbn:se:umu:diva-244132 ISBN: 978-91-8070-777-0 (print) ISBN: 978-91-8070-778-7 (electronic) OAI: oai:DiVA.org:umu-244132 DiVA, id: diva2:1997662
Public defence
2025-10-10, Hörsal MIT.A.121, MIT-huset, Campustorget 5, 907 36, Umeå, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
2025-09-192025-09-132025-09-17 Bibliographically approved
List of papers