Linköpings universitet, Campus Norrköping, 601 74 Norrköping
Institutionen för Tema Campus Norrköping
C-uppsats från Miljövetarprogrammet, 2019
Amanda Dovenius & Clara Haag Johansson
Stora sjöars metanutsläpp till
atmosfären
En studie på tre svenska sjöars rumsliga
variation av diffusion och ebullition
Rapporttyp Report category Licentiatavhandling Examensarbete AB-uppsats C-uppsats D-uppsats Övrig rapport Språk Language Svenska/Swedish Engelska/English Titel
Stora sjöars metanutsläpp till atmosfären; En studie på tre svenska sjöars rumsliga variation av diffusion och ebullition
Title
Large lakes’ methane release to the atmosphere; A study of three Swedish lakes’ spatial variation of diffusion and ebullition
Författare
Amanda Dovenius och Clara Haag Johansson
Sammanfattning
Sedan förindustriell tid har atmosfärens metankoncentration ökat med 150 % vilket bidragit och fortsätter att bidra till en global medeltemperaturökning. En stor andel av metanet släpps ut från sjöar, detta trots att sjöar utgör en liten del av jordens yta. Av den totala sjöarealen utgör stora sjöar en betydande del men trots detta har tidigare studier främst utgått från små sjöar. Det finns osäkerheter kring metanutsläppen och hur väl den rumsliga variationen både mellan och inom sjöar representeras av den data som finns. För att få mer representativa data behöver fler studier göras på stora sjöars metanutsläpp. Även variationen inom och mellan stora sjöar behöver undersökas på samma sätt som man tidigare har gjort i små sjöar. Syftet med denna studie var att undersöka rumsliga variationer av olika metanutsläpp både inom och mellan tre olika typer av stora svenska sjöar. Studien gjordes på Roxen, Vättern och Glan under två veckor i juni och två veckor i augusti 2018. Flödesmätningar av ebullition och diffusion gjordes med hjälp av kammare. Majoriteten av mätningarna gjordes över 24 timmar på olika djup samt olika delar av sjöarna. Vid varje flödesmätning samlades även prover in för vattnets metankoncentration, vilket diffusionen är beroende av. Med hjälp av data av vattnets metankoncentration och metanflödet kunde även möjligheten till gasutbyte undersökas. För att sammanställa och analysera hur skillnader såg ut mellan olika flödesmätningar samt koncentrationen av metan i sjöarna, i relation till djup, användes lådagram, sambandsdiagram, statistiska jämförelsetester och korrelationsanalys. Resultaten visade stor variation mellan de stora sjöarnas metanflöden då Vättern hade väldigt låga flöden i jämförelse med Roxen och Glan. Inom sjöarna har ingen skillnad i metanflöden säkert kunnat konstateras. Vattnets metankoncentration varierade både inom och mellan vissa sjöar. Samtliga skillnader i metanflöden och koncentrationer mellan sjöarna kan bero på djupskillnader då signifikanta korrelationer har hittats. Statistiskt signifikanta korrelationer har även hittats för vattnets metankoncentration och djup inom Roxen och Glan.
Abstract
Since preindustrial times the atmosphere's methane concentration has risen by 150% which has contributed and continue to contribute to global temperature increase. A big part of methane is released by lakes, even though lakes cover a small part of the earth's surface. Of the total lake area, large lakes make up for a substantial part but despite this, previous studies have primarily been based on small lakes. There are also uncertainties regarding methane release and how well the spatial variation both within and between lakes is represented by the available data. To acquire more representative data, more studies need to be made on methane release from large lakes. Also, the variation within and between large lakes must be studied in the same way as have previously been done in small lakes. The aim of this study was to examine spatial variations of methane release both within and between three large lakes of different types. The study was made on Roxen, Vättern and Glan during two weeks in June and two weeks in August 2018. Flux measurements of ebullition and diffusion were made using chambers during 24 hours on different depths and different parts of the lakes. At every flux measurement, a sample was taken of the water's methane concentration, which diffusion is dependent upon. Using the water's methane concentration and the methane flux, the possibility for gas exchange could also be studied. To compile and analyse how differences between different flux measurements as well as the water's methane concentrations in the lakes, in relation with depth, boxplots, scatterplots, statistical comparisons tests and correlation analysis were used. The results show large variation in methane fluxes between the large lakes as Vättern had very low fluxes in comparison with Roxen and Glan. No confident difference in methane fluxes could be found within the lakes. The water's methane concentration varied both within and between some of the lakes. All differences in methane fluxes and concentrations between the lakes could be because of difference in depth as significant correlations have been found. Statistically significant correlations have also been found between the water's methane concentration and depth within Roxen and Glan.
ISBN _____________________________________________________ ISRN LIU-TEMA/MV-C—19/01--SE _________________________________________________________________ ISSN _________________________________________________________________
Serietitel och serienummer
Title of series, numbering
Handledare
David Bastviken
Datum 2019-05-15
URL för elektronisk version
http://www.ep.liu.se/index.sv.html
Institution, Avdelning Department, Division Tema Miljöförändring, Miljövetarprogrammet
Department of Thematic Studies – Environmental change Environmental Science Programme
Förord
Denna studie är en kandidatuppsats inom Miljövetarprogrammet vid Linköpings universitet och även en pilotstudie inom forskningsprojektet METLAKE. Vi vill tacka METLAKE som har möjliggjort studiens genomförande. Utan ert stöd hade inte Clara Haag Johansson, Viktoria Karlsson, Madeleine Skoglund och Martin Beijer kunnat vara ute i fält och tagit prover under sommaren 2018.
Vi vill främst tacka vår handledare David Bastviken som bidragit med sin kunskap och sitt engagemang. Vi vill även tacka Ingrid Sundgren som har analyserat proverna genom
gaskromatografi och skickat resultaten till oss. Tack till Per Sandén för att du lånade oss dina kunskaper i statistik och till Martin Karlson för att du tog dig tid med våra kartor. Slutligen vill vi också tacka Helena Nilsson och Hanna Englund för era synpunkter på uppsatsen.
Amanda Dovenius & Clara Haag Johansson 2019-05-15
Innehåll
1. Inledning ... 1 2. Bakgrund ... 2 2.1 Metan ... 2 2.2 Metanutsläpp från sjöar ... 2 2.3 Rumsliga variationer ... 4 3. Metod ... 5 3.1 Studieobjekt ... 5 3.1.1 Roxen ... 7 3.1.2 Vättern ... 8 3.1.3 Glan ... 9 3.2 Metanflödesmätning ... 9 3.3 Provtagning ... 13 3.3.1 Beskrivning av mätcykel ... 13 3.3.2 Prov från kammare ... 13 3.3.3 Vattenprov ... 14 3.4 Analys av metankoncentration ... 14 3.5 Övriga variabler... 15 3.6 Statistisk analys ... 15 4. Resultat ... 174.1 Skillnad mellan sjöarna ... 17
4.2 Skillnad inom sjöarna ... 20
5. Diskussion ... 21
5.0.1 Skillnader mellan och inom sjöarna ... 21
5.0.2 Andra möjliga orsaker till skillnader ... 23
5.1 Jämförelse med resultat från liknande studier ... 23
5.2 Metodval och osäkerheter ... 27
5.2.1 Metod ... 27 5.2.2 Datahantering ... 28 5.2.3 Provtagning ... 29 5.3 Studiens betydelse ... 30 6. Slutsatser ... 31 7. Referenser ... 32
BILAGA 1. Grafer och tabeller ... 37
1
1. Inledning
Sedan förindustriell tid har atmosfärens koncentration av klimatpåverkande gaser stadigt ökat vilket bidragit och fortsätter att bidra till en global medeltemperaturökning. Metan är en av dessa gaser vilken ensamt har ökat med 150% och har den högsta globala
uppvärmningspotentialen vid en 10 årsbasis (IPCC, 2013). Det har uppskattats att en stor andel av metanet släpps ut från sjöar. Trots att enbart 3,7 % av jordens icke glaciala
landområde består av sjöar (Verpoorter et al., 2014) har de bedömts kunna avge metan vilket motsvarar 6 till 16 % av de globala metanutsläppen (Bastviken et al., 2004). Detta medför att sjöar nu ses som den nästa största naturliga metankällan till atmosfären globalt sett (Saunois et al., 2016).
En viktig osäkerhet är hur väl den rumsliga variationen representeras av de data som finns om sjöars metanutsläpp (Bastviken et al., 2011; Holgerson & Raymond, 2016). De studier som undersökt detta visar att djup och avstånd till stranden har haft stor betydelse och att merparten av metanflödena från mindre sjöar sker från grunda strandnära områden (Natchimuthu et al., 2016; Bastviken et al., 2010; Bastviken et al., 2004). Trots detta har många tidigare mätningar utförts på en eller ett fåtal platser på centrala delar av sjöarna, och detta skapar osäkerheter om sjöars totala utsläpp. För att minska de globala osäkerheterna om metanutsläppen blir det därför också mycket viktigt att försöka minska osäkerheterna rörande sjöars metanutsläpp.
Tidigare studier av sjöars metanutsläpp har främst utgått från små sjöar (Wik et al., 2016) trots att stora sjöar utgör en stor del av den totala sjöarealen (Verpoorter et al., 2014). I en samling av 74 studerade sjöar har bara 16 % utförts på sjöar större än 10 km2 (Bastviken et al., 2004), men den globala sjöareal vilka dessa sjöar representerar är hela 44 % (Verpoorter et al., 2014). Mätningar vilka hittills gjorts är därmed inte representativa ur ett globalt perspektiv.
En förutsättning för att få mer representativa data är att det görs fler studier av stora sjöars metanemissioner och att variationen inom och mellan stora sjöar undersöks på samma sätt som man gjort i små sjöar. Denna studie har just detta som utgångspunkt och fokuserar på metanflödesmätningar i tre olika typer av stora sjöar. Studien syftar sig till att undersöka hur metanflöden skiljer sig inom och mellan tre stora svenska sjöar. För att besvara detta har tre frågeställningar formulerats:
o Hur skiljer sig Roxen, Vättern och Glan mot varandra i olika metanflöden? o Hur skiljer sig olika delar inom respektive sjö mot varandra i olika metanflöden? o Finns det samband mellan uppmätta skillnader i metanflöden med djup?
2
2. Bakgrund
2.1 Metan
Metan är den tredje vanligaste växthusgasen i atmosfären efter vattenånga och koldioxid (IPCC, 2013). Tillsammans bidrar gaserna till att jordens medeltemperatur upprätthålls och ökar genom att de håller kvar värmestrålningen (Wuebbles & Hayhoe, 2002; Graedel & Crutzen, 1995). Sedan 1750-talet har metanhalten i atmosfären ökat med 150 % vilken är en snabbare ökningstakt än för koldioxid med motsvarande 40 % ökning under samma
tidsperiod (IPCC, 2013). I atmosfären har metan en kort livslängd på åtta till tolv år men är en mer kraftfull gas än koldioxid när det kommer till påverkan på växthuseffekten. På en 100 årsbasis motsvarar ett metanutsläpp på 1 ton cirka 30 ton koldioxidekvivalenter (IPCC, 2013).
Metanhalterna i atmosfären härstammar från både antropogena och naturliga källor. Antropogena metanemissioner kan komma från förbränning av fossila bränslen, jordbruk, deponier och biomassförbränning. Naturliga källor till metanemissioner kan bland annat vara våtmarker, hav och sjöar (Wuebbles & Hayhoe, 2002; Saunois et al., 2016). De ökade
emissionerna från antropogena aktiviteter sedan förindustriell tid har varit den huvudsakliga källan till ökade metanhalter i atmosfären (Wuebbles & Hayhoe, 2002). Men med ökad kännedom om sjöar som naturlig källa till metanemissioner har gjort att sjöar idag ses som den nästa största naturliga metankällan till atmosfären globalt sett (Saunois et al., 2016).
2.2 Metanutsläpp från sjöar
I sjöar produceras metan av bakterier under främst syrefria förhållanden i bottensedimentet. Bildandet av metan kräver att olika bakteriegrupper samverkar vilket innebär att
nedbrytningen av organiskt material sker i en process av många steg. Metan bildas i det sista processteget vilket är när metanogena archaebakterier bryter ner organiskt material och producerar metan som en restprodukt vilket benämns metanogenes. När metanet diffunderar till sediment och vatten där det finns syrgas (O2) sker en oxidation. Oxidationen sker med hjälp av metanoxiderande bakterier vilka använder metanet till energi- och kolkälla. Metanet som inte konsumeras kommer istället att emitteras till atmosfären (Bastviken, 2009).
Utsläpp av metan från sjöar kan ske på åtminstone fyra olika sätt (Bastviken et al., 2004). Diffusion är en flödestyp, vilket är en process som pågår kontinuerligt. Metanet diffunderar från sedimentet till vattnet och sedan från vattnet till atmosfären (Bastviken, 2009). Diffusion sker från ställen med höga koncentrationer till ställen med lägre koncentrationer vilket sker där det finns koncentrationsskillnader. I denna studie fokuseras det på diffussionsflödet mellan vatten och atmosfär. Diffusion regleras av metankoncentrationsskillnaden mellan ytvattnet och luften ovanför men också hur snabbt gasen kan transporteras genom ett gränsskikt. Denna hastighet kallas gasutbyteshastigheten och benämns k. Gränsskiktet är ett tunt ytlager vattenmolekyler som separerar vattenmassan och atmosfären varav tjockleken på detta ytlager är vad som avgör hur snabbt gasen kan passera. Gränsskiktet kan tunnas ut när
3
vattenmassan precis under lagret utsätts för turbulens såsom när vågor skapas av vind (Gålfalk et al., 2013). Därav är k bland annat beroende av vindhastighet.
Metankoncentrationen i ytvattnet är beroende av metanets produktion, oxidation, flöden och k (Bastviken et al., 2004). För att gasen ska avgå till atmosfären från vattnet krävs det även att vattnets metankoncentration är högre än koncentrationen i luften. Eftersom
metankoncentrationen nästan alltid är högre i vattensystem än i luften sker det nästan alltid ett diffusionsflöde till atmosfären. En stor del av det diffunderande metanet från sedimentet till ytvattnet hinner oxidera eftersom diffusion sker långsammare än emission via ebullition (Bastviken, 2009).
Ebullition innebär ett snabbt utsläpp av metanbubblor från sedimentet, genom vattnet till atmosfären och är en annat typ av metanflöde. Vid ebullition sker begränsad oxidation vilket resulterar i högre flöden jämfört med diffusion (Bastviken, 2009). Ebullition har i tidigare studier av mindre sjöar visats sig utgöra upp till 80% av det totala metanflödet vid mätning på djup mindre än 4 meter. Ebullition är en episodisk process vilket inträffar med ojämna
mellanrum därav är flöden via ebullition kända för att ha hög rumslig variation (Bastviken et al., 2004). Bubblorna bildas i sedimentet och kan frigöras under särskilda förhållanden (Johansson, 2002). Vid höga tryck pressas bubblorna ihop vilket ger dem lägre flytkraft. Detta håller kvar bubblorna i sedimentet och en jämvikt skapas genom gasutbyte mellan bubblorna och vattnet. När trycket minskar blir bubblorna mindre komprimerade och blir därmed större till storlek. Detta resulterar i bättre flytkraft vilket leder till att bubblorna lättare frigörs från sedimentet. Det här inträffar oftast när någon form av störning i sedimentet sker, exempelvis vid hårdare vind vilket skapar vågor och kan påverka sedimentet. Eller vid minskade hydrostatiskt tryck vid följd av lågtryckspassage eller sjunkande vattennivåer (Johansson, 2002). På stora djup utsätts inte sedimenten för samma störning vilket minskar sannolikheten att bubblor frigörs. Ebullition är därmed djupberoende och vanligare vid grundare vatten eftersom det råder ett lägre hydrostatiskt tryck där (Bastviken, 2009; Bastviken et al., 2004).
Den tredje typen av emission benämns lagringsflöde. Stratifierade sjöar (vilka har olika skikt och lager) kan lagra metan i syrefattiga eller helt syrefria vattenlager, vilka ofta förekommer nära djupare botten. När sjöar blandas om kommer dessa lager upp till ytan och det lagrade metanet kan snabbt emitteras via diffusion. Antal omblandningar varierar beroende på sjö, för vissa sjöar sker det två gånger per år ofta vid vår och höst. Vattenväxter med blad ovanför vattenytan och med rötter i sedimentet kan också bidra till metanemissioner och är det fjärde flödet av metan i sjöar. Emissionen sker genom luftkanaler vilka finns i till exempel
växternas rötter. Emissioner från växter sker i grunda områden närmast land (Bastviken et al., 2004).
4
2.3 Rumsliga variationer
Inom sjöar har rumsliga variationer av metankoncentrationer och flöden tidigare hittats och har många gånger kopplats till djup samt distans till strandkant (Hofmann, 2013; Bastviken et al., 2010; Natchimuthu et al., 2016). Metankoncentrationer och flöden har i sjöar varit högre närmare strandkanterna än i sjöns centrum. Det ökade flödet kan bero på den ökade
tillgängligheten av organiskt material i och med kortare avstånd till strandkanten (Bastviken et al., 2010; Bastviken 2009). Eftersom djupet tenderar att bli grundare med ett kortare avstånd till strandkanten kan det ökade flödet kopplas till djup. Metanflöden har även tenderat att vara högre vid grunda djup (Natchimuthu et al., 2016). Detta kan bero på att ebullition är vanligare vid grunda sediment (Bastviken 2009). Placeras provtagningspunkter i närheten till ett inlopp kan det vara betydande för resultatet. Via inloppet kan det tillföras näringsämnen till en sjö vilket resulterar i förhöjda metankoncentrationer och flöden jämfört med andra provtagningspunkter (Hofmann, 2013; Natchimuthu et al., 2016). Även finns det en ökad turbulens vid inloppsområden (Natchimuthu et al., 2016), vilket resulterar i att k kan variera inom sjöarna och påverkar rumslig variation av diffusion och metankoncentration (Natchimuthu, 2016).
Den omliggande miljön kan påverka metanutsläppets variation mellan sjöar (Bastviken et al., 2004) vilket kan vara bidragande till en sjös trofiska klassning. En sjö kan bland annat klassas som oligotrof (näringsfattig), eutrofierande (näringsrik) och mesotrof (måttligt näringsrik) (Havs- och vattenmyndigheten, 2013). I studier har sjöar med högre halter av näringsämnen visats avge betydligt högre metanemissioner i jämförelse med sjöar med lägre halter
(Fernandes Sanches et al., 2019; Bastviken et al., 2004). Den trofiska klassningen bestämmer sjöns produktivitet och därmed tillgängligheten av organiskt material för framställning av metan i sedimenten. Även sedimentet kan ha en betydande roll för en sjös trofiska klassning (Huang et al., 2018) och är därmed betydande för rumslig variation av metanemissioner då sedimentets struktur påverkar ebullition (Johansson, 2002).
Sjöstorlekens potentiella inverkan på metanflöden har tidigare studerats vilka har visat att sjöars metanutsläpp kan variera efter deras storlekar. Sjöareal har som ensam faktor framgått av Fernandes Sanches et al. (2019) att vara en betydande variabel för ebullitionen och
totalflödet. Vid samma klimatzoner tyder resultaten i Fernandes Sanches et al. (2019) på att närliggande landskapsområden inte har samma effekt på större sjöar jämfört med mindre sjöar. Möjligtvis för att stora sjöar har en mindre omkrets-till-volymfördelning än små (Holgerson & Raymond, 2016). Metankoncentrationer har visats vara högre i små sjöar och minskar med ökad sjöareal. Detta kan bero på att mindre sjöar ofta har grundare djup, vilket gör att det är ett snabbare utbyte med atmosfären och mindre tid för metanet att oxidera (Holgerson & Raymond, 2016). Detta kan även förklaras av en generell minskad uppehållstid vid mindre sjöareal i jämförelse med ökad sjöareal (Bastviken et al., 2004).
5
3. Metod
3.1 Studieobjekt
Studien är gjord på de tre svenska sjöarna Roxen, Vättern och Glan. Dessa sjöar valdes efter storlek, sjötyp och närhet till utgångspunkten. Sjöarna är större än 10 km2 vilket används som definition på en stor sjö i den här studien men har även använts i tidigare studier som
Verpoorter et al. (2014). Sjöarna har olika trofiska klassningar och representerar därmed olika sjötyper, se Tabell 1 för mer information. Sjöarna behövde även ha ett rimligt avstånd till utgångspunkten Linköpings universitet för att möjliggöra att fler sjöar kunde provtas under den begränsade tidsperiod vilken var till förfogande.
Tabell 1. Roxens, Vätterns och Glans area, maximumdjup, trofiska klassning och medelvärdet från år 2017 för
Totalfosfor, Totalkväve, TOC, pH och absorbans för filtrerat samt ofiltrerat prov. TOC står för total organic carbon och är ett mått på koncentrationen av totalt organiskt kol. F står för filtrerat prov och OF för ofiltrerat.
Sjö Area (km2) Maximum djup (m) Trofisk klassning Totalfosfor µg/l Totalkväve µg/l TOC mg/l pH Absorbans 420 nm /5cm
Roxen1 95 8,54 Mesotrof 16 680 5,5 7,9 OF: Saknas
F: 0,03
Vättern2 1756 1204 Oligotrof 2,8 690 2 7,5 OF: 0,01
F: <0,005
Glan3 73 22,84 Eutrof 37 470 6,7 7,8 OF: Saknas
F: 0,043
1Vatteninformationssystem Sverige, 2016 2Vatteninformationssystem Sverige, 2016a 3Vatteninformationssystem
Sverige, 2016b 4SMHI, 2009
Vilka delar av sjön som skulle undersökas valdes efter tillgängliga sjösättningsplatser vilket kollades upp på förhand. Provtagningsplatserna inom sjöarna valdes ute i fält för att försäkra om att platserna var tillräckligt nära varandra och sjösättningsplatsen för att möjliggöra flera mätningar per dag. Platserna valdes efter synbar variation av miljö, vilket gjordes genom att ta hänsyn till faktorer som kan påverka den rumsliga variationen. De valda
provtagningsplatserna framgår av Figur 1. Rumslig variation har undersökts inom och mellan sjöar genom att använda transekter. Det innebar att kammare lades i linjer från grundare till djupare vatten på olika provtagningsplatser. Enligt Cole et al. (2010) beaktar transekter heterogenitet i vattnets turbulens och andra processer vilka kan påverka flödet av metan såsom ebullition. Schilder et al. (2013) menar att mätning i transekter är att föredra när syftet är att kvantifiera metanutsläppen, då bästa representativitet av sjöns interna variation önskas. Transekter placerades på olika delar av provtagningsområdet för att inkludera mer av den naturliga variationen i sjön. Data från transekterna kunde sedan jämföras med varandra för att säkerställa att skillnad fanns och därmed möjliggöra korrelation mellan metanflöden och vattnets metankoncentration med djup. Genom att använda sig av transekter på olika delar av provtagningsområdet ökar sannolikheten för att korrelationen blir påverkad av rumslig variation orsakad av andra faktorer än djup.
6 Figur 1. Karta över studerade sjöarna Vättern, Roxen och Glan. Provtagningar har skett inom Östergötlands
län, sydöstra Sverige. Svarta prickar anger var i sjön metanprover, vatten- och lufttemperatur samt djup tagits.
Studien utfördes under två perioder sommaren 2018. Den första perioden sträckte sig mellan den 11 till 20 juni och den andra perioden mellan den 6 till 15 augusti. Vilka dagar som tillbringades på vilken sjö framgår av Tabell 2 i Bilaga 1. Av tidsmässiga skäl behövde all provtagning ske på sommaren, men inom denna begränsning förlades perioderna tidsmässigt åtskilda. Detta för att kunna inkludera två olika perioder under sommaren eftersom halterna av organiskt kol och metankoncentration i ytvattnet kan variera över året i sjöar (Liu et al., 2017; Samad & Bertilsson, 2017).
Tidsmässig variation hade inte varit möjligt att undersöka i samma utsträckning. I och med att studien enbart utfördes under sommaren 2018 kunde varken säsongsmässig variation undersökas i rättmätig utsträckning eller variation mellan år undersökas överhuvudtaget. Inga liknande studier har tidigare förts på dessa sjöar vilket krävs om en sådan jämförelse skulle undersökas. Mätningar har inte gjorts på så vis att jämförelse mellan veckor eller timmar var möjlig. Jämförelse mellan mätperioder och dagar har valts bort på grund av korta mätserier för varje period, alternativ metod för Vättern och förlorade data.
7
3.1.1 Roxen
Roxen är en mesotrof sjö med gyttja och lera till bottensediment (Motala ströms
vattenvårdsförbund, 2015) i Linköpings och Norrköpings kommuner, Östergötlands län (58°30'42.7"N 15°38'51.7"E). Tidigare mätvärden för Roxen visar att det är en måttligt näringsrik sjö. Sjöns värden för näringsämnen, organiskt kol och absorbans för filtrerat prov ligger mellan Vätterns och Glans. Sjön har högst pH-värde av de tre sjöarna
(Vatteninformationssystem Sverige, 2016), se Tabell 1. Roxen har en area på 95 km2, ett medeldjup på 4,7 meter och ett maximumdjup på 8,5 meter (SMHI, 2009). Roxens provtagningspunkter finns illustrerade i Figur 2.
Figur 2: Karta över Roxen. Provtagningar skedde totalt på 24 platser i sjöns sydvästra del vid inloppet av
Stångån i närheten av Linköpings stad. Provtagningsplatserna representeras av punkter vilka ingår i tre transekter och anger var i sjön data för metanprover, vatten- och lufttemperatur samt djup tagits. Åtta punkter tillhör transekt 1 vilka är formade till cirklar, åtta punkter tillhör transekt 2 vilka är formade till kvadrater, åtta punkter tillhör transekt 3 och är formade till trianglar. Den mest sydliga provtagningspunkten för transekt 1 hade felaktiga koordinater, placeringen av denna punkt uppskattades utifrån övriga punkters positioner.
8
3.1.2 Vättern
Vättern är en oligotrof sjö med bottensediment vilket utgörs främst av fin sten men också av grov sten, fina block och grova block. I närheten av provtagningsplatserna var sjön omgiven av mestadels åker medan strandkanten domineras av träd följt av gräs, halvgräs eller vass (Vätternvårdsförbundet, 2015). Vättern (58°19'12.5"N 14°30'02.8"E) ingår i Örebro län, Jönköpings län, Västra Götalands län och Östergötlands län. Provtagning skedde i Ödeshögs kommun. Vättern har lägst värden för totalfosfor, organiskt kol, pH och absorbans för filtrerat prov samt högst värden för kväve i jämförelse med Roxen och Glan
(Vatteninformationssystem Sverige, 2016a). För detaljer se Tabell 1. Sjön har en area på 1756 km2, ett medeldjup på 40,8 meter och ett maximumdjup på 120 meter (SMHI, 2009). Vätterns provtagningspunkter finns illustrerade i Figur 3.
Figur 3: Karta över Vättern. Provtagningar skedde på totalt 13 platser öster om sjöns mittersta del utanför
Hästholmen. Provtagningsplasterna representeras av punkter och linjer vilka ingår i två transekter. Nio punkter tillhör transekt 1 vilka är formade till cirklar och anger var i sjön metanprover, vatten- och lufttemperatur samt djup tagits. Punkter tillhörande transekt 2 är formade till kvadrater med fyra anslutande linjer vilka
representerar sträckan där provtagning skedde med drivande kammare på djup över 100 meter. Vid varje linjes början och slut har vatten- och lufttemperatur, vattenprov, koordinater och djup samlats in medan
kammarprover enbart togs vid slutet. Den mest östliga provtagningspunkten för transekt 1 hade felaktiga koordinater, placeringen av denna punkt uppskattades utifrån övriga punkters positioner.
9
3.1.3 Glan
Glan är en eutrof sjö vilken är måttligt påverkad av närliggande industri, har gyttja till bottensediment (Motala ströms vattenvårdsförbund, 2015) och ligger i Finspångs och Norrköpings kommuner, Östergötlands län (58°37'05.5"N 15°57'33.2"E). Glan har högst mätvärden av de tre sjöarna för fosfor, organiskt kol och absorbans för filtrerat prov, men inte för kväve och pH(Vatteninformationssystem Sverige, 2016b). För mer detaljer se Tabell 1. Sjön har en area på 73 km2, ett medeldjup på 9,9 meter och ett maximumdjup på 22,8 meter (SMHI, 2009). Glans provtagningspunkter finns illustrerade i Figur 4.
Figur 4. Karta över Glan. Provtagningarna skedde på totalt 24 platser i sjöns västra del.
Provtagningsplatserna representeras av punkter vilka ingår i tre transekter och anger var i sjön metanprover, vatten- och lufttemperatur samt djup tagits. Åtta punkter tillhör transekt 1 vilka är formade till cirklar, Åtta punkter tillhör transekt 2 vilka är formade till kvadrater och är tagna i närheten av Doverns inlopp utanför Doverstorp. Åtta punkter tillhör transekt 3 och är formade till trianglar. Transekt 1 och 3 var placerade utanför Ljusfors vid Motala ströms inlopp.
3.2 Metanflödesmätning
I den här studien har endast ebullition och diffusion undersökts av de ovan nämnda fyra möjliga metanflöden från en sjö. Till detta har flytande kammare använts för att fånga upp gasflöden från Roxen, Vättern och Glan. Hädanefter när studien benämner metanflöden menas metanemissioner eftersom flöden i vattenmassan inte har studerats. Flytande kammare är en vanlig metod som används för att kvantifiera metanflöden. Med hjälp av flera
kammarmätningar är det möjligt att få information om gasutsläppens variation. Metoden är billig och det kan enkelt göras replikerande mätningar (Bastviken et al., 2015; Denmead, 2008). Tillämpning av flytande kammare är enbart representativa för mätpunkten då källan är ett väldefinierat område (Natchumuntu et al., 2016).
10
Utformning använda kammare har liknat dem som använts i tidigare studier med liknande syfte (Natchimuthu et al., 2017; Gålfalk et al., 2013; Podgrajsek et al., 2014). Kammarna var gjorda av plastbaljor. Tre olika varianter på plastbaljor av cirkulär form användes av
varierande volym och area, se Tabell 2. Anledningen till att inte samma typ av plastbalja valdes var att det inte fanns 12 kammare av samma balja att tillgå vid samma tidpunkt.
Tabell 2. Storlek på de tre använda kammartyper i volym och area. Samtliga kammare var av cirkulär form.
Kammartyp 1 2 3
Volym (L) 5,52 6,16 7,29
Area (cm2) 706,86 804,25 754,77
Kammarna var täckta med reflekterande tejp för att reflektera bort solljus i syfte att minimera upphettning inuti kammaren. Skumplast fästes runt kammarens kanter för att förbättra dess flytförmåga. Samtliga kammare konstruerades för att sjunka ned 3 cm under vattenytan. Detta såg till att kammarna var täta och att gasen vilken avgick från den innesluta vattenytan
samlades in i kammaren men även för att undvika att skapa onaturlig vattenturbulens. Dessa åtgärder har Lorke et al. (2015) visats minska påverkan från turbulens och därmed minskar risken för missvisande resultat. På kammarens ovansida fästes en 20 till 25 cm lång PVC-slang för att kunna ta prover genom PVC-slangens ände via en 3-vägs luerventil.
På respektive kammare fästes en meter lång lina till ett flöte gjort av skumplast, vilket var fäst till ett ankare av ett antal ihopsatta vinkelbeslag. Konstruktionen anses förbättra
kammarens funktion (Cole et al., 2010) och ska enligt Natchimuthu (2016) minimera risken av att fånga ebullition skapat av sedimentstörningar från ankaret genom att kammaren inte befinner sig direkt ovanför, se Figur 5. Linan gjorde att kammarens position begränsades för att möjliggöra mätning på ett väldefinierat område samt även att ankaret inte skulle begränsa kammarens rörlighet i höjdled vid höga vågor (Natchimuthu, 2016).
Kammarna har i de flesta fall ankrats och placerats i transekter från grundare till djupare vatten förutom för delar av Vättern. Där har en annan metod använts när djupet översteg 50 meter eftersom ankarna hade ett maximumdjup på 50 meter. Då var kammarna bundna till båten och mätte drivandes med vinden under en timme på dagen. Medan resterande kammare låg placerade i 24 timmar för att ta hänsyn till diffusionens variation över dygnet (Denmead, 2008; Natchimuthu et al., 2014; Bastviken et al., 2004) samt öka chansen att fånga ebullition vilket är lätt att missa med korta mätningar (Podgrajsek et al., 2014).
När en kammare är placerad på vattnet ökar metankoncentrationen i kammarens luftutrymme med tiden fram till dess att metankoncentrationen i kammarens luftutrymme är i jämvikt med metankoncentrationen i vattnet (Denmead, 2008). Se illustration av kammarens luftutrymme i Figur 5. Genom att ha inneslutit luftrummet ovanför vattnet kan det vertikala gasflödet
11
mellan vattnet och luften i kammaren beräknas genom att använda
koncentrationsförändringar i kammaren över tiden tillsammans med andra variabler.
Figur 5. Visualisering av flytande kammare placerad på vattnet. Metankoncentrationen i kammarens
luftutrymme CKammare ökar med tiden fram tills att metankoncentrationen i kammarens luftutrymme är vid
jämvikt med metankoncentrationen i vattnet CVatten. Flöte och ankare finns även illustrerade. Konstruktionen
ser till att kammaren inte befinner sig direkt ovanför ankaret då ebullition orsakad av sedimentstörning från ankaret inte ska inkluderas i mätningarna.
Med hjälp av två olika ekvationer har metanflödet kunnat beräknats. Den första ekvationen beräknar en linjär koncentrationsökning över tid med hjälp av metankoncentrationen i kammaren, tiden kammaren var placerad på vattnet och ytan som kammaren täckte vilket visas som linje 1 i Figur 6:
F = (nslut – nstart) / (Akammare*(tslut - tstart)) [1]
F är flödet (mol m-2 d-1), nstart är substansmängden (mol) i luften när kammaren placerades på vattnet och nslut är substansmängden (mol) i kammaren när kammaren tas upp. Akammare är kammarens area (m2) mot vattenytan, tslut - tstart är tiden (dagar) kammaren varit på vattnet.
Den andra ekvationen tar hänsyn till att luften i kammaren med tiden kommer att uppnå jämvikt med vattnet vilket visas i ett icke-linjärt samband med hjälp av linje 2 i Figur 6. Eftersom luften utanför kammaren aldrig uppnår jämvikt med vattnet är den tidiga lutningen av linjen 2 mer representativ för det egentliga flödet, se cirkel för lutning i Figur 6. Därför blir flödet alltid lite högre med denna ekvation. De flesta tillgängliga studier inklusive denna uppskattar det diffusa metanemissioner från sjöar med ekvationen:
12
F = k*(Caq - Ceq) [2]
F är flödet (mol m-2 d-1), k är gasutbyteshastigheten (m d-1), Caq är den uppmätta
ytvattenkoncentrationen (mol m-3) av metan och Ceq är den teoretiska ytvattenkoncentrationen (mol m-3) vid jämvikt med luftens partialtryck (Gålfalk et al., 2013; Schilder, et. al. 2016). Den icke-linjära ekvationen förklaras ytterligare under Icke-linjär ekvation i Bilaga 2 och illustreras som linje 2 i Figur 6.
Figur 6. Grafen visar två olika linjer vilka representerar två ekvationer för att beräkna
koncentrationsförändring (ppm) i kammare över tid (timmar). Första ekvationen (linje 1) representerar linjärt samband vilket används för att beräkna totalflöde och andra ekvationen representerar icke-linjärt samband vilket användes för att beräkna diffusion. Punkten där linjerna möts är ett exempel på ett mätvärde vilket kan uppmätas. Cirkeln specificerar den tidiga lutningen som är mer representativ för det egentliga flödet eftersom luften utanför kammaren aldrig uppnår jämvikt med vattnet.
Vid beräkning av totalflöde där ebullition förekommit har inte den icke-linjära ekvationen varit möjlig eftersom ebullition ger upphov till omedelbar koncentrationsökning och följer inte den gradvisa ökningen som representeras av linje 2 i Figur 6. Därför användes den linjära ekvationen för att beräkna flödet när kammarprov antagits fått ebullition. För att avgöra vilken ekvation som skulle användas för respektive kammare separerades flödena efter de som fick enbart diffusion och de som både fick diffusion och ebullition genom att jämföra k vid Schmidt-nr 600 (k600). Variabeln k600 gör det möjligt att jämföra k mellan olika gaser över olika temperaturer och i den här fallet har k600 värden använts för att separera flödena.
Kammare som tog emot ebullition har ett k600 värde som är märkbart högre än de kammare vilka enbart fick diffusion. För mer information om hur kammare antagits fått diffusion och ebullition se Separation av diffusion och ebullition i Bilaga 2.
13
3.3 Provtagning
3.3.1 Beskrivning av mätcykel
En mätcykel började med att inhämta prover genom att köra båten till en lämplig plats där vattenprov, luftprov, vattentemperatur, lufttemperatur, koordinater och djup togs. Vattenprov har tagits för att få ut vattnets metankoncentration vilket behövdes för beräkning av icke-linjärt metanflöde. Luftprov behövdes för att få ut luftens metankoncentration vilket agerat startvärde för beräkningarna. Temperaturer har använts för att beräkna k600-värdet och metanflöden. Kammarens ankare och flöte släpptes vid den lämpliga platsen en stund innan själva kammaren placerades på vattenytan. Detta var för att undvika att ebullition orsakad av sedimentstörning fångades i kammaren (Natchimuthu, 2016). Därefter lämnades kammaren för att insamla metangas i 24 timmar. Nästa dag när prov hämtades från kammaren kördes båten fram tills ungefär 10 meter återstod till kammaren. Därefter stängdes motorn av och båten fördes fram med hjälp av åror. Detta var för att inte störa kammaren som att orsaka luftutbyte innan kammarprovet var taget. Därefter togs även vattenprov, vattentemperatur och lufttemperatur. På varje sjö genomfördes fyra mätcyklar (fyra 24 timmars mätningar) totalt varav två i rad för varje mätperiod. Innan den andra mätcykeln påbörjades togs kammaren upp och luftades för att se till att gaserna i kammaren var desamma som i luften vid mätningens start (Natchimuthu, 2016) och placerades sedan tillbaka på vattenytan.
Mätcykeln var mycket kortare för drivande kammare på Vättern och utfördes i cirka en timme på dagen. Då kördes båten ut till en plats där djupet sträckte sig till ungefär 100 meter där vattenprov, luftprov, vattentemperatur, lufttemperatur, koordinater och djup togs. Inga ankare användes eftersom kammarna istället var fastknutna till varandra med hjälp av snören att de behöll ett avstånd på ungefär 1 meter från varandra. Därefter placerades de på vattnet en efter en vilket skapade en kedjeformation. Båten med kedjeformationen fördes drivande med vinden i en timme. Sedan togs vattenprov, vattentemperatur, lufttemperatur och djup igen samt även slutkoordinater. Prov togs från varje kammare och plockades upp en efter en.
3.3.2 Prov från kammare
Båten manövrerades med försiktighet med åror för att undvika att dra i provröret och välta kammaren samt för att inte köra över, skada eller störa kammaren. Sedan kopplades en två meter lång PVC-slang (inre diameter 3 mm) till kammarens 3-vägs luerventil. Tre 60 ml sprutor med ventiler anslöts till PVC-slangen. Ventilerna möjliggjorde förslutning för att undvika luftutbyte mellan innehållet i sprutorna och atmosfären när prov hade tagits. Innan provet togs från kammaren drogs luft ut tre gånger med hjälp av en påkopplad spruta för att se till att provet inte kontaminerats av omgivande luft i PVC-slangen. Detta var för att tre gånger sprutans volym överstiger slangens volym och säkerställer därmed att luften i slangen ersattes med prov från kammaren. Tre sprutor fylldes med totalt 180 ml gasprov vilket användes för att spola en 22 ml vial (vilken hade gummipropp och aluminiumkrage) med hjälp av två kanyler, en där sprutorna kopplades på och prov fördes in och en för utflöde av luft. Vialen spolades med gasen över sju gånger dess volym för att gasen i vialen skulle vara densamma som gasen i kammaren (Natchimuthu et al. 2017). När all gas förutom 5 ml hade
14
spolats genom vialen togs kanylen för utflöde bort och den sista gasen tillsattes för att skapa övertryck. Genom att ha övertryck i vialen höjs säkerheten om provets kvalitet då det i första hand blir läckage av gas istället för att provet kontamineras med luft utifrån. Övertrycket kontrollerades och släpptes sedan ut vid den senare analysen med gaskromatograf vilket också blev ett test på provets kvalitet (Natchimuthu et al. 2017). Natchimuthu et al. (2017) och Podgrajsek et al. (2014) har bland annat haft liknande tillvägagångssätt vid
luftprovtagning från kammare.
Ett startvärde för luftens metankoncentration togs vid varje transekt genom att fylla tre 60 ml sprutor med luft. De behövdes vid beräkningar av metankoncentrationens startvärde. För att öka kvaliteten på proven togs de ovanför huvudet på provtagaren för att minska risken att kontaminera provet med utandning. Luftproverna fördes sedan över till vialer på samma vis vid proven från kammare.
3.3.3 Vattenprov
För att införskaffa kunskap om metankoncentrationen i ytvattnet (de översta 5 cm av vattenmassan) togs ytvattenprover vid varje provtillfälle. Vialer med gummipropp och aluminiumkrage hade förberetts på labb genom att tillsätta 100 µl fosforsyra (H3PO4) och fyllas med kvävgas (N2) tills övertryck skapats för att konservera provet. En 5 ml spruta fylldes med ytvattnen före och efter gasinsamling vid varje kammare. Vid samtliga provtillfällen togs detta med stor försiktighet för att undvika luftbubblor i sprutan.
Vattenprovet fördes till en 22 ml vial genom att först släppa ut övertrycket med hjälp av en kanyl och sedan koppla på sprutan till kanylen. När vattenproverna var tagna hölls
provtagarens tumme mot gummiproppen medan gummit återförslöts. Därefter förvarades de upp och ned för att låta vattnet i vialen agera barriär medan gummit läker ihop efter att kanylen stuckit genom proppen och därmed minimera risken för luftutbyte.
3.4 Analys av metankoncentration
De insamlade vatten- och gasproverna analyserades genom gaskromatografen Aglient 7890 på Tema Miljöförändring vid Linköpings universitet. Analysen av vattenproverna gav en metankoncentration i miljondelar (ppm) som sedan konverterats till partialtrycket för metan i proverna. Gaskromatografi är en analysmetod som används för att separera kemiska
föreningar i prover. I gaskromatografen förångas proverna och förs sedan vidare i en
gasström via en kolonn. I det här fallet har en packad kolonn använts för att separera gaserna genom att föra gasströmmen in i en flamjonisationsdetektor (FID), vilken förbränner det organiska materialet. Vid förbränningen bildas elektroner vilka i sin tur ger utslag som är proportionellt mot mängden substans (ALS, u.å).
15
3.5 Övriga variabler
Temperatur har mätts för att kunna beräkna metanflöden. Lufttemperatur togs med en handhållen termometer i en skuggad och vindskyddad del av båten för mest sannolika approximationen. Vissa gånger togs även ytvattentemperatur med hjälp av samma termometer, då togs temperaturen strax under vattenytan vid sidan av båten. Oftast togs ytvattentemperaturen med ekolod monterat på båten av fabrikat Lowrance LMS-520C vilket även användes till att mäta djup och fastställa koordinater för respektive provtagningsplats. Väder har betydelse för gasutbytet mellan vattenmassan och atmosfären. Därför har lufttryck och vindhastighet inhämtas från SMHI, vilket kan avläsas i Tabell 2 i Bilaga 1.
3.6 Statistisk analys
IBM Statistical package for the social sciences (SPSS Statistics) version 25 för Windows har använts för att undersöka skillnader inom och mellan sjöar. Även har skillnadernas relation till djup testats. Data för diffusion (mmol m-2 d-1), ebullition (mmol m-2 d-1), totalflöde (mmol m-2 d-1), metankoncentration i vattnet (μM), metankoncentration i kammare (ppm) och k (m d -1) beräknades i ett Exceldokument i Microsoft Excel. Vilket sedan överfördes till SPSS tillsammans med sjö, transekt och djup (m). Se Bilaga 2 för en beskrivning av
beräkningsstrategi och hur flöden delades upp. Data från mätperioderna juni och augusti har lagts ihop, sedan delats upp i respektive sjö och transekt då endast rumslig variation har undersökts. Därav har data mellan sjöarna jämförts med båda mätperioderna inkluderat.
På grund av få observationer har samtliga variabler antagits inte vara normalfördelade och därför användes icke-parametriska tester. Icke-parametriska tester behöver inte
normalfördelade data och kan därför utföra tester på små grupper. De har dock mindre chans att upptäcka variation vilket gör parametriska tester att föredra. Det är möjligt att använda parametriska tester genom att transformera data. Det bör göras i fall där datas
frekvensfördelning är skev (Wheater & Cook, 2000). Transformering var inte möjligt i detta fall då data inte var skev utan var tydligt grupperad och fragmenterad.
Icke-parametriska data för oberoende grupper kan testas statistiskt i SPSS men kommer med begränsningar till vilka statistiska tester som kan användas. Kruskal-Wallis H undersöker skillnad mellan flera än två grupper och används även när data inte kan transformeras för att uppnå krav för parametriska tester (Wheater & Cook, 2000). Testet har använts för att undersöka skillnad i diffusion, ebullition, totalflöde och vattnets metankoncentration mellan transekter samt sjöar. Detta för att undersöka huruvida det fanns en skillnad mellan och inom sjöarna. Mann-Whitney U används vid samma förhållanden som Kruskal-Wallis H, men används när skillnader mellan två grupper ska undersökas (Wheater & Cook, 2000). När skillnader har hittats med Kruskal-Wallis H utfördes Mann-Whitney U tester för två oberoende grupper för att undersöka mellan vilka sjöar och/eller transekter skillnad fanns. För att undersöka korrelation användes Spearman’s rho eftersom testet uppfyller antaganden om data och fungerar även om sambandet mellan värdena inte är linjärt (Wheater & Cook, 2000). När skillnad har hittats inom sjöarna med hjälp av Kruskal-Wallis H och Mann-Whitney U användes Spearman’s rho för att undersöka om djup kan förklara skillnaden genom att beräkna korrelation med djupet mellan sjöarnas diffusion, ebullition, totalflöde och metankoncentration i vattnet.
16
En signifikansnivå på 5 % användes för samtliga tester, se Tabell 3. Den kallas den kritiska nivån då om ett test ger ett p-värde under 0,05 finns en mycket liten risk att nollhypotesen är sann och att eventuella mönster i observerade data beror på slumpen. 5% är allmän praxis vid statistiska tester (Wheater & Cook, 2000).
Tabell 3. Statistiska hypoteser för skillnader för flera oberoende grupper och för två oberoende grupper
respektive hypoteser för korrelationsanalys.
Hypoteser Kruskal-Wallis H Mann-Whitney U Spearman’s rho
H0 p > 0,05 p > 0,05 p > 0,05 & r = 0
H1 p < 0,05 p < 0,05 p < 0,05 & r ≠ 0
Gaskromatografen var trasig under en period sommaren 2018 vilket främst drabbade data från Roxen och Vättern. Data saknades helt för Roxens första provtagningsperiod i juni och en del data saknades för transekt 2 i Vätterns andra provtagningsperiod i augusti. Största konsekvensen av detta var att Roxen endast representerades av data från augusti till skillnad från Glan och Vättern vilka fick bättre hänsyn till tidsmässiga variationer. Detta drabbar Roxens resultat vilket kan anses missvisande när det jämförts med andra sjöar. Det orsakar även ökad risk att missa eventuella skillnader inom Roxen eftersom färre data existerar för den sjön.
Vissa få data saknades även för vattnets, luftens och kammarens metankoncentrationer för alla sjöar på grund av trasig gaskromatograf. Även vissa data för temperatur saknades eftersom det ibland glömdes att tas i fält. Dessa variabler behövs för att beräkna flödet av metan från vattenytan till atmosfären. För att lösa detta gjordes antaganden för temperatur, vattnets metankoncentration och luftens metankoncentration genom att använda värden vilka uppmättes samma dag på ungefär samma plats. Inget antagande kunde göras för saknade värden av kammarens metankoncentration. Detta gjorde att vissa beräkningar inte kunde utföras vilket minskade mängden användbara data.
17
4. Resultat
4.1 Skillnad mellan sjöarna
Bland de tre sjöarna hade Roxen högsta median och störst spridningsmått i totalflöde,
ebullition och vattnets metankoncentration. Roxen hade också störst spridning i k, se Tabell 4 i Bilaga 1 för samtliga k-värden. I Glan uppmättes högst median och lägst spridning i
diffusion samt högst median för k. Medan Vättern hade lägst median och spridning för alla flöden, vattnets metankoncentration och k-värde, se Tabell 4 för flöden och koncentration. Till skillnad från Roxen och Glan hade Vättern låga flöden i jämförelse med vattnets metankoncentration vilket gav en låg median för k på 0,10 m d-1 (medelvärde: 0,16 m d-1).
Fördelningen av ebullition respektive diffusion varierade mellan sjöarna. För Roxen dominerade ebullition med 75% av totalflödet i jämförelse med diffusion vilket utgjorde 25%. För Vättern var minoriteten av totalflödet ebullition med 26% medan diffusion utgjorde majoriteten med 74%. För Glan bestod totalflödet av 24% ebullition medan diffusion bestod av 76%. Se beräkningsstrategi för flödesfördelning i sjöar i Bilaga 2.
Tabell 4. Median, minimum och maximum för totalflöde, diffusion, ebullition och vattnets metankoncentration i
Roxen, Vättern och Glan. Utökad information om medelvärde, standardavvikelse, kvartilavvikelse och k-värde finns i Tabell 4 i Bilaga 1. Tabell 1 i Bilaga 1 visar antal mätvärden för respektive sjö. Median för ebullition är beräknat från de gånger när ebullition skett och har därför en högre median än om alla värden för ebullition skulle inkluderas. Läs mer i Bilaga 2 om varför inte summan av diffusion och ebullition är detsamma som totalflödet. Observera att enheten för flödena är presenterat i μmol m-2 d-1 för att lättare jämföra värdena med
varandra. Vattnets metankoncentration i Vättern har en extra decimal för att tydligare visa dess låga värden.
Roxen Totalflöde (μmol m-2 d-1) Diffusion (μmol m-2 d-1) Ebullition (μmol m-2 d-1) Vattnets metankoncentration (μM) Median 337,6 143,2 230,1 0,4 Minimum 79,0 79,0 0 0,2 Maximum 3481,1 199,5 3353,3 1,4 Vättern Totalflöde (μmol m-2 d-1) Diffusion (μmol m-2 d-1) Ebullition (μmol m-2 d-1) Vattnets metankoncentration (μM) Median 10,2 13,3 4,1 0,10 Minimum 1,2 1,2 0 0,06 Maximum 60,0 32,1 33,4 0,14 Glan Totalflöde (μmol m-2 d-1) Diffusion (μmol m-2 d-1) Ebullition (μmol m-2 d-1) Vattnets metankoncentration (μM) Median 301,2 192,8 216,8 0,4 Minimum 29,5 29,5 0 0,1 Maximum 923,5 923,5 406,3 0,7
18
Av Figur 7 framgår Roxens spridning tydligt och hur låga värden och spridningar som finns i Vättern. Signifikanta skillnader i medianen hittades mellan samtliga sjöar i diffusion (p < 0,001 för samtliga). Data för Roxen, Vättern och Glans diffusion hade en korrelation mot djup som var negativ (r = -0,744) och signifikant (p < 0,001), vilket tyder på att djupet kan vara en förklaring till skillnaderna mellan sjöarna som har hittats. Se (a) i Figur 8 för sambandsdiagram över diffusionens förändring med djup.
För ebullition har signifikanta skillnader i medianen hittats mellan Roxen och Glan samt mellan Roxen och Vättern (p = 0,007 respektive < 0,001). Dock hittades inga signifikanta skillnader mellan Vättern och Glan (p = 0,663), vilket kan vara för att ebullition sällan uppmättes i Glan och Vättern. Data för ebullition i Roxen och Glan hade en negativ korrelation (r = -0,403) mot djupet vilket även hittats för Roxen och Vättern (r = -0,613) vilka var signifikanta (p = 0,012 respektive < 0,001). Se (b) i Figur 8 för sambandsdiagram över ebullitionens förändring vilket tenderar att minska med ökat djup.
Figur 7. Lådagram över diffusion, ebullition, totalflöde (Observera mmol m-2 d-1) och metankoncentration i
vattnet (μM) för respektive sjö. Observera att sex extremvärden från Roxen har exkluderats i denna bild, två för ebullition (1,5 och 3,4 mmol m-2 d-1), två för totalflöde (1,7 och 3,5 mmol m-2 d-1) och två för vattnets
metankoncentration (1,3 och 1,4 μM). Exkluderingen är en konsekvens av justering av Y-axeln i syfte att göra data mer tolkbart. Glan representerar 36 värden för diffusion, Roxen 24 och Vättern 34 värden. I ebullition representerar Glan 16, Roxen 20 och Vättern 20 värden. Glan representerar 16 värden för totalflödet, Roxen 20 och Vättern 20. I metankoncentration i vattnet representerar Glan 36, Roxen 26 och Vättern 21 värden.
Signifikanta skillnader i medianen hittades för totalflöde mellan Vättern och Roxen samt Vättern och Glan (p < 0,001 för båda). Inga signifikanta skillnader hittades mellan Roxen och Glan (p = 0,478). I Figur 8 visas sambandsdiagram över totalflödets förändring med ökat djup (c). Varav totalflödet i Vättern och Roxen hade en negativ korrelation (r = -0,725) med djupet vilket även hittats för Vättern och Glan (r = -0,689). Korrelationerna var signifikanta (p < 0,001 för samtliga) vilket tyder på djupet kan vara en anledning till sjöarnas skillnader.
19
För vattnets metankoncentration har även signifikanta skillnader i medianen hittats mellan Vättern och Glan samt Vättern och Roxen (p < 0,001 för båda). Dock hittades det inga signifikanta skillnader mellan Glan och Roxen (p = 0,148). Vättern och Glans sammanlagda data för vattnets metankoncentration hade en negativ korrelation (r = -0,841) med djupet vilket även hittats för Vättern och Roxen (r = -0,856). Korrelationerna var signifikanta (p < 0,001 för samtliga). Se (d) i Figur 8 för sambandsdiagram över vattnets metankoncentrations förändring med djup.
Figur 8. Diagram över sambandet mellan flöden och vattnets metankoncentration mot djup. Värden från Roxen,
Vättern och Glan är markerade med kvadrater, trianglar respektive cirklar. Sambandsdiagrammet för diffusion (a) visar att skillnader som uppmätts mellan samtliga sjöar kan bero på djupet och representeras av enbart uppmätta värden från gaskromatograf vilket är 21, ett extremvärde för Glan (0,9 mmol m-2 d-1) och Vätterns
transekt 2 exkluderats på grund av alternativ metod.Sambandsdiagrammet för ebullition (b) visar att skillnader som uppmätts mellan Roxen och Glan samt Roxen och Vättern kan bero på djupet och representeras av 51 värden, ett extremvärde för Roxen (3,4 mmol m-2 d-1) och Vätterns transekt 2 har exkluderats.
Sambandsdiagrammet för totalflöde (c) visar att skillnader som uppmätts mellan Vättern och Roxen samt Vättern och Glan kan bero på djupet och representeras av 51 värden, ett extremvärde för Roxen (3,5mmol m-2
d-1) och Vätterns transekt 2 har exkluderats.Sambandsdiagrammet för vattnets metankoncentration (d) visar att
skillnader som uppmätts mellan Vättern och Roxen samt Vättern och Glan kan bero på djupet och representeras av 85 värden där två extremvärden för Roxen (1,3 och 1,4 μM) har exkluderats.
20
4.2 Skillnad inom sjöarna
Vätterns transekter (1 och 2) representerar både olika djup och olika metoder, se Figur 2 i Bilaga 2 för lådagram över transekterna. Inga signifikanta skillnader hittades mellan transekterna gällande ebullition och metankoncentration i vattnet (p = 0,439 respektive 0,669). En överskattning av värden antas då transekt 2 hade en mycket högre median för totalflöde och diffusion (26,0 respektive 27,0 μmol m-2 d-1) än transekt 1 (4,9 respektive 3,4 μmol m-2 d-1). Där även signifikanta skillnader har hittats för totalflöde och diffusion mellan transekterna (p = 0,001 respektive <0,001). I Vättern har en signifikant korrelation (r = 0,708) mellan diffusion och djup hittats (p <0,001) när data från transekt 1 och 2 inkluderats.
Inga signifikanta skillnader har hittats inom Roxens eller Glan när skillnader mellan respektive sjös transekter (1 till 3) testades gällande diffusion (p = 0,884 respektive 0,676), ebullition (p = 0,210 respektive 0,110) och totalflöde (p = 0,329 för båda). I Glan uppmättes ingen ebullition i transekt 2 till skillnad från transekt 1 och 3, se Figur 3 i Bilaga 2 för lådagram över Glans transekter. Inom Roxen uppmättes ebullition för samtliga transekter vilket kan ses i Figur 1 i Bilaga 2.
Signifikanta skillnader i medianen hittades för Roxens metankoncentration i vattnet mellan transekterna 2 och 3 vilka hade 0,5 respektive 0,4 μM (p = 0,004). Inga signifikanta
skillnader hittades mellan transekt 1 och 2 (p = 0,082) samt 1 och 3 (p = 0,790). I Glan hittades det signifikanta skillnader i medianen för metankoncentration i vattnet mellan
transekt 1 och 2 samt 2 och 3. Transekt 1 har en median på 0,6 μM medan transekt 2 hade 0,2 μM och transekt 3 hade 0,4 μM (p = <0,001 för transekt 1 och 2 respektive 0,003). Figur 9 visas hur vattnets metankoncentration i Roxen (a) och Glan (b) tenderar att minska med ett ökat djup. Glan hade en relativt svag och negativ korrelation (r = -0,355) i jämförelse med Roxen (r = -0,641). Korrelationer var signifikanta (p = 0,034 respektive <0,001) vilket tyder på att sambanden med djupet kan vara en förklaring till skillnader i metankoncentrationer som har hittats inom respektive sjö. Medianen för diffusion, ebullition, totalflöde och vattnets metankoncentration för samtliga sjöars transekter finns i Tabell 5 i Bilaga 1.
Figur 9. Diagram över sambandet mellan metankoncentration i vattnet (μM) och djupet (m). Roxens (a)
sambandsdiagram representerar 28 värden. Glans (b) sambandsdiagram representerar 36 värden.
Sambandsdiagrammen visar att vattnets metankoncentration tenderar att minska med ett ökat djup i Roxen och Glan.
21
5. Diskussion
Sammanfattningsvis hittades inga gemensamma skillnader inom sjöarna då
metankoncentration skildes enbart inom Roxen och Glan men inte inom Vättern. Inga skillnader hittades inom Roxen och Glan gällande flöden trots skillnader i vattnets
metankoncentration. Uppmätta skillnader i flöden för Vättern kan bero på att olika metoder användes på platserna. Dock har samma metod använts för vattnets metankoncentration för båda transekterna och dess mätvärden vilket gör resultaten lika trovärdiga som resterande sjöars mätvärden för vattnets metankoncentration. Resultatet visar på att det existerar skillnad mellan olika delar inom vissa sjöar för vattnets metankoncentration men att det inte behöver betyda rumslig variation i metanflöde. Vilket tyder på att k är högre på de platser där
metankoncentrationen är lägre och kompenserar att metanflödet hålls relativt jämnt över sjön.
5.0.1 Skillnader mellan och inom sjöarna
Resultatet mellan sjöar har visat att både Vätterns metanflöden och metankoncentration i vattnet är signifikant lägre än Roxens och Glans. Medianen av totalflödet i Roxen och Glan var ungefär 32 gånger högre än Vätterns totalflöde, samtidigt var medianen i Roxens och Glans metankoncentration i vattnet ungefär 7 gånger högre än Vätterns metankoncentration i vattnet. Detta visar att Vättern har relativt hög metankoncentration i vattnet i jämförelse med dess metanflöde. Enligt ekvation 2 är flödet beroende av metankoncentrationen i vattnet såväl som k. Detta överensstämmer med att beräknat k-värde för Vättern är relativt lågt. Medianen för Vätterns k-värde är ungefär 10 gånger mindre än Roxens och Glans. Det finns en
möjlighet att alla kammare på Vättern har läckt och därmed orsakat oönskat luftutbyte mellan kammare och atmosfären. Detta kan orsakas när kammarens ventil inte stängts ordentligt, men sannolikheten för att detta skett på alla kammare i Vättern är väldigt låg. Förutsatt att k-värden på Vättern är sant, motsägs detta av Bastviken et al. (2004) och Holgerson och Raymond (2016) vilka hävdar att minskad metankoncentration i vattnet kan förklaras av att stora sjöar har ett större k-värde. Det uppmättes en litet lägre genomsnittlig vindhastighet på Vättern än de andra sjöarna vilket kan varit anledningen till ett lägre k-värde på Vättern då k är beroende av vindhastighet (Bastviken et al., 2004; Schilder et al., 2016) se medelvärde för vindhastighet i Tabell 2 i Bilaga 1. Cole et al. (2010) hävdar dock att k är oberoende av vind och är oförutsägbar vid låga vindhastigheter under två till tre m s-1. Oavsett är skillnaden i medelvindhastighet mellan sjöarna liten vilket gör det tveksamt huruvida vindhastigheten haft betydande påverkan.
Vätterns resultat tyder på att det är högre metanflöden orsakade av diffusion vid 100 meters djup än vid djup mellan 18 och 38,5meter. Detta är möjligt då Natchimuthu et al. (2016) har kommit fram till att det var oklart hur diffusion påverkades av djup eftersom de studerade en sjö med högre värde av k i mitten av sjön där det var djupast. Vilket även har hittats i Schilder et al. (2016) och Schilder et al. (2013). Den studien gjordes dock på andra djup än Vätterns vilket kan påverka huruvida de resultaten är jämförbara. Schilder et al. (2016) visade på att k-värdet på platserna närmast stranden är mindre beroende av vindhastighet detta eftersom platserna närmast stranden var mindre vindexponerade. Dock togs ingen hänsyn till
22
dygnsmässiga variationer av den alternativa metoden på Vättern som användes vid 100 meters djup. Detta kan orsakat osäkerheter vilket kan läsas om i 5.2.1 Metod.
Inom Glan skildes samtliga transekter åt i vattnets metankoncentration där transekt 1 har den högsta medianen följt av transekt 3 vilka båda ligger vid Motala ströms inlopp, se Figur 4. I en tidigare studie av Natchimuthu et al. (2016) har högre metankoncentrationer i ytvattnet hittats vid inloppsområden där ökad turbulens förekommer. Transekt 2 har den lägsta medianen för metankoncentration och hade kammare vid både Doverns inlopp och längre västerut. I jämförelse med transekt 1 och 3 är distansen från transekt 2 större till strömt vatten, se Figur 4. Den avvikande placeringen av kammare och den längre distansen till Doverns inlopp kan vara en förklaring till den lägre metankoncentrationen för transekt 2. En del av skillnaderna i metankoncentrationerna mellan transekterna kan förklaras av djupet. Transekt 2 vilken har den lägsta medianen för metankoncentration har det högsta
genomsnittsdjupet för Glans transekter medan transekt 1 har den högsta medianen för metankoncentration och det lägsta genomsnittet för djupet.
Inom Roxen skiljer sig medianen för metankoncentration i vattnet mellan transekt 2 och 3, där transekt 2 har ett högre median än transekt 3. Provtagningsplatserna är olika för
transekterna vilket kan vara en anledning till skiljaktigheterna. Djupet är grundare för transekt 2 än transekt 3 och stödjs av korrelationsanalysen vilket visar att
metankoncentrationen blir lägre vid ökat djup. Dessutom ligger provpunkterna för transekt 2 närmare land än provtagningspunkterna för transekt 3, se Figur 2.
Korrelationsanalyserna tyder på att djupet är en orsak till skillnaden som hittats inom Roxen och Glans metankoncentrationer, men även mellan Vättern och Glan samt Vättern och Roxen. Detta är ett undersökt fenomen i sjöar sedan tidigare (Bastviken et al., 2010; Bastviken 2009) vilket denna studie nu bekräftar. Det ska noteras att detta resultat inte bevisar att rumslig variation i vattnets metankoncentration förklaras av djup då andra variabler kan ligga till grund för skillnaden. En möjlighet är temperaturskillnader då metanproduktionen accelererar med temperatur (Natchimuthu et al., 2016) och att det förekommer lägre temperatur i djupare sedimentet (Natchimuthu, 2016). Men det kan också bero på att det förekommer mer organiskt material för metanogena archaebakterier att bryta ner på grunda områden då de dessa oftast ligger nära land (Bastviken et al., 2010; Bastviken 2009). Korrelationsanalysen visar även att skillnaderna mellan sjöarnas metanflöden kan bero på djupet. Dock har inga skillnader inom sjöar hittats vilket gör att inga korrelationer kunnat gjorts mellan metanflöden och djup inom sjöarna. Endast chansen för ebullition minskar med djup (Bastviken et al., 2004) men metanflödet minskar inte nödvändigtvis vid de tillfällen när det sker. Detta gör det svårt att undersöka samband mellan ebullition och djup på samma sätt vid diffusion. För att bland annat kunna bekräfta Bastviken et al. (2004) krävs det att
ebullition undersöks vid upprepande tillfällen mot djup inom en sjö och att varje djupintervall är lika representerat. Något denna studie inte uppfyller.
23
5.0.2 Andra möjliga orsaker till skillnader
Den skillnaden som hittats mellan sjöarna kan bero på flera faktorer bland annat sjöarnas egenskaper. Sjöarnas storlek har tidigare visat sig ha betydelse för diffusionen då andelen diffusion av det totala metanflödet ökar med sjöarnas area (Bastviken et al., 2004). Vattnets metankoncentration blir lägre med sjöns storlek (Holgerson & Raymond, 2016) då vind ökar gasutbytet, överförs metan lättare till luften (Schilder et al., 2016). Detta eftersom sjöar med mindre area blir mer påverkade av höjdskillnaderna och den kringliggande vegetationens vindskyddande effekt (Edlund et al., 2017). Enligt resultatet följde inte sjöarna den trend Bastviken et al. (2004) beskrev angående andelen diffusion i relation till sjöstorleken. Vättern har majoriteten av diffusion och Roxen har en större andel ebullition medan Glan har störst andel diffusion men är minst till arean av dessa tre sjöar. Metankoncentrationen är lägst på Vättern vilket överensstämmer med storleken. Dock har Roxen högst värden trots att den inte är minst till ytan. Enligt Bastviken et al. (2004) kan sjöars potential till oxidation av metan öka med sjöstorlek på grund av ökande uppehållstid vilket också kan förklara Vätterns låga metankoncentration. Vättern har en uppehållstid på cirka 50 år (Milbrink, 2018) medan Glan och Roxen har jämförelsevis snabb omsättningstid på två och en halv till tre månader
(Owenius och af Petersens, 2012). Det ska noteras att några av dessa slutsatser vilka jämförs med resultatet är främst från små sjöar vilka kanske bara är applicerbart på sjöytor eller djup inom vissa gränser.
En annan sjöegenskap vilket kan ha haft betydelse för skiljaktigheterna i metanflöden är sjöarnas olika trofiska klassningar. Glan har både en stor median och spridning av diffusion vilket kan bero på att sjön är klassad till eutrof sjö och har i jämförelse med Roxen och Vättern betydligt högre halt av totalfosfor, se Tabell 1. Högre metanemissioner kan antas när högre halter av näringsämnen som totalfosfor finns. Resultat från Fernandes Sanches et al. (2019) tyder på att totalfosfor endast har en betydande påverkan på metanflöden i
kombination med andra variabler, såsom djup. Denna påverkan visar sig dessutom enbart vara för diffusionsflödet. I och med att Glan har högst median i diffusion och totalfosfor kan den trofiska klassningen varit betydande för Glans metanflöde. Detta genom att
näringsämnena kan haft direkta effekter på metanogenesen (Fernandes Sanches et al., 2019). Vättern är oligotrof (näringsfattig) och har den lägsta medianen för samtliga flöden vilket gör att resultaten går i linje med litteraturen (Fernandes Sanches et al., 2019; Bastviken et al., 2004). Fler studier behöver dock göras för att bekräfta näringsämnenas betydelse för metanflöden och dess skiljaktigheter.
5.1 Jämförelse med resultat från liknande studier
Eftersom studier främst utförts på små sjöar finns mer data att tillgå som sedan använts för att extrapolera utsläpp från stora sjöar. Vilket denna jämförelse nu påpekar kan bli missvisande. Data från stora sjöar inom samma latituder vilka även är framtagna med hjälp av samma metod är förutom ovanliga dessutom bristfälliga. Detta försvårar jämförelsen mellan studerade sjöar i denna uppsats och andra stora sjöar. Därav görs en mer djupgående jämförelse mellan uppsatsens sjöar och små sjöar för att belysa denna skillnad och därmed
