Sediment depth [cm]

U. Kienel, 

B. Brademann, N. Dräger, P. Dulski, F. Ott, B. Plessen, A. Brauer

Linking diatom deposition 

with the spring temperature gradient

Lake Tiefer See (NE Germany) 

Phacotus

Formation of varves and seasonal layers

Sedimen t   depth   [cm]

Ca [cps]

0 4000

?  When, how much and which material 

?  Which conditions (Weather / Limnology)

?  Signal transfer

50µm

20µm

Annual layer = Varve

Diatoms Siliceous algae Calcite  Detritus

Si Ca

Si [cps] 100

Ti, K

Cyanobacteria

Subsample Material

Sequential trap 2‐Cylinder trap 4‐Cylinder trap (12 m + 5 m)

Monitoring station Weather staion Water probe T‐logger chain

Measure  conditions

Lake Tiefer See Monitoring – Instrumentation

Lake Tiefer See Monitoring – Instrumentation

Water depth [m]

Matter formation + deposition Weather / Lake conditions

30 d 2 h

10 min.

183 d 15 d

30 days

T P Wind PAR Chemistry T logger Production Deposition

Increment Interval

Sequential Trap

2- cylinder

Trap 4-cylinder

Traps

Water probe

12 h T pH EC Turb. Chla

DO redox

Trapped hypolimnion deposition

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000

0 92 183 275 366 458 549 641 732

S. neoastrea + parvus C. comensis

A. formosa F. crotonensis Fragilaria chains A. islandica

A. islandica Fragilaria F. crotonensis A. formosa

Deposition [g m

d

] 

no datano data

6.4

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0

0 92 183 275 366 458 549 641 732

Day since 01.01.2012

Deposition [g m-2 d-1 ]

Organic matter CaCO

non‐CaCO

IM

2012 2013

C. comensis Stephanodiscus

10

Diatoms [g m

d

]

Siliceous algae

IM deposition transferred to Diatom Si

0 1 2 3

0 92 183 275 366 458 549 641 732

0 1 2 3

0 92 183 275 366 458 549 641 732

Non‐CaCO

IM Deposition [g m

d

] 

Silica

Deposition [g m

d

] 

Stephanodiscus

log₁₀[silica content] = 1.03 log₁₀[biovolume] ‐2.45 (Conley et al. 1989)

Si 10^‐12 g per cell S. neoastrea 1545

S. parvus 371 C. comensis 103

No diatoms Low detritus

no datano data

2012 2013

0

20

40

60

0 92 183 275 366 458 549 641 732

Weather and Lake conditions –> Lake mixing

0

400

800

1200

0 92 183 275 366 458 549 641 732

-20 -10 0 10 20 30

0 92 183 275 366 458 549 641 732

Wind 

fetch length  [m]

Air temperature [°C]

Water

temperature [°C]

2012 2013

Ice cover Water

depth

[m]

Lake mixing depth related to T _water and wind

Wedderburn number W = 1  

depth to which water column is mixed by wind (Walsby & Schanz 2002)

W =  (g h

) / (

U*

L)

 water density difference surface and depth h  g gravitational acceleration



water density L wind fetch length

U* wind‐induced shear velocity (Spigel & Imberger 1987)

U*

=  (

/

) C

U



/ 

density ratio air / water (0.0012) C

drag coefficient (0.0013)

U

wind speed

Buoyancy Wind action

L

Diatoms and Spring mixing ‐ transfer function

0 20 40

60

0 92 183 275 366 458 549 641 732

0 1 2 3

-20 -10 0 10 20 30

0 92 183 275 366 458 549 641 732

Mixing depth  [m]

T

[°C]

Diatom Si

deposition [g m

d

] 2012 2013

0 °C 5 °C

T Duration 0 ‐ > 5 ° C

[days] 

Sediment  Si mean yr

Schwerin TDur since 1890

no data

Transfer : Diatom Si = 1/Tduration 0 ‐ ^{≥ 5 ° C}

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100

Spring warming

0 – 5°C [days]

y = ‐1.01x + 105.33 R² = 0.31

Diatom Si

[count average yr^‐1]

r = 0.56 N = 86 p < 0.0001

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 0 20 40 60 80 100

Calculated from FLake

(Mironow 2008)

Transfer : Diatom Si = 1/Spring warming

Spring warming

0 – 5°C [days]

Bucket  elevator  1984‐1995 Lifestock

farming  since 1975

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100

y = ‐1.21x + 109.96 R² = 0.41

Diatom Si

[count average yr^‐1]

Testing the stability of the Diatom – T relation

BLZ Diatom Si * 10

count average yr^‐1

Spring warming

0 – 5°C [days]

Si avg count yr^-1 TSK vs. BLZ*10-1

y = 0.53x + 27.98 R² = 0.33 0

20 40 60 80 100

0 20 40 60 80 100

y = -1.25x + 114.03 R² = 0.22

0 20 40 60 80 100 120

0 20 40 60 80 100

y = ‐1.25x + 114.03 R² = 0.22

Breiter Luzin

*10

Tiefer See

TSK

-20 0 20 40 60 80 100 120

1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 2015

0 20 40 60 80 100

y = 0.53x + 27.98

R² = 0.33

First‐step conclusions

Questions

TDuration 0 to ≥ 5°C 1/Diatom Si deposition

Process: Mixing depth ‐> Nutrients Light availablity Systematic?:  Breiter Luzin

Chance: Nutrient threshold Problem: Detrital Si

Are the relations systematic?

Anthropogenic thresholds for climate signal transfer?

Stationarity of proxies?

What are the system response times?

~

Outlook: Carbonate   ¹⁸ O preserves July temperature?

y = -0.16x - 1.69 R² = 0.56

-6 -5 -4 -3

14 19 24

14 16 18 20 22 24

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

-6

-5

-4

-3

Tair JUL [°C]

d18Ocarb ‰ BLZ

-0.04 0.00 0.04 0.08 0.12

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015

0 3 6 9

TP [mg/l] 5m CaCO3 [mg/l] 5m



O

[%

PDB]

T

[°C]

July T

[°C]

0 1 2 3

0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1J  F M A M J  J  A S O N D

Month TP [mgL

] 5m

1993 – 2012 y = ‐0.16x ‐0.69 R

= 0.56

CaCO

[mgL

] 5m

Threshold: eutrophic

0 40 80 120 160

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

Spring warming 0 –> 5°C [days]

100 days 20 days

Si

[cps]

Varved

Potential for T ‐ transfer in TSK long core

Detrital Si

Age [yr BP] 

Site map: Lakes and their varved sediments

Alt Gaarz

63 m / 65 m a.s.l.

Sophienhof Blücherhof

93.8 m a.s.l.

93.3 m a.s.l.

1 km

Lakes Tiefer See (TSK) Varved sediments [yr AD] since 1924

Lake volume [10⁶m³] 14

Lake area [km²] 0.76

Lake depth max [m] 63

El. Conduct. [µS cm^‐1] 520 / 560

TP [µg L^‐1] 47 (0)

TN [mg L^‐1] 1.3

Trophic state / reference Mesotr. / Oligotr.