Inferring sedimentary chlorophyll concentrations with reflectance spectroscopy: a novel approach to reconstructing historical changes in the trophic status of mountain lakes

Reflectance spectroscopy has made it possible to rapidly and nondestructively assess the chlorophyll content of plants and natural waters. However, to date this approach has not been applied to chlorophyll and chlorophyll derivatives preserved in lake sediments. Here, we explore the relationships between visible-near-infrared spectral properties of lake sediments and measured pigment concentrations for lakes that have been exposed recently to anthropogenic nitrogen deposition. Down-core decreases in pigment concentrations and changes in reflectance properties effectively chronicle increases in whole-lake primary production since 1950. Specifically, reflectance spectra of sediments from four alpine lakes in Rocky Mountain National Park (Colorado Front Range, USA) preserve salient troughs near 675 nm that covary in magnitude with concentrations of chlorophyll a and associated pheopigments. The area of the trough in reflectance between 600 and 760 nm best explains the sum of total chlorophyll a and its derivatives (r2 = 0.82, n = 23, P < 0.01). This result suggests that chlorophyll a preserved in lake sediments can be remotely sensed using a simple index derived from reflectance spectroscopy, thus providing a new paleolimnological strategy for rapid exploratory assessments of changing lake trophic status. Résumé : La spectroscopie de réflectance permet de déterminer rapidement et sans destruction le contenu en chlorophylle des plantes et des eaux naturelles. Cette méthodologie n’a cependant pas été utilisée jusqu’à maintenant pour mesurer la chlorophylle et ses dérivés conservés dans les sédiments lacustres. Nous examinons ici les relations entre les propriétés spectrales dans le visible et l’infrarouge adjacent des sédiments lacustres, d’une part, et les concentrations de pigments mesurés, d’autre part, dans des lacs qui ont été exposés récemment à la déposition d’azote d’origine anthropique. La réduction des concentrations de pigments vers le bas des carottes de sédiments et les changements des propriétés de réflectance représentent concrètement l’augmentation de la production primaire à l’échelle du lac entier depuis 1950. De manière plus spécifique, les spectres de réflectance des sédiments de quatre lacs alpins du Parc national des Montagnes Rocheuses (versant oriental du Colorado, Colorado Front Range, É.-U.) conservent des creux évidents près de 675 nm, dont l’importance est en covariance avec les concentrations de chlorophylle a et des phéopigments associés. La surface du creux dans la réflectance entre 600 nm et 760 nm explique le mieux la somme de la chlorophylle a totale et de ses dérivés (r2 = 0,82, n = 23, P < 0,01). Ce résultat indique que la chlorophylle a conservée dans les sédiments lacustres peut être mesurée à distance à l’aide d’un indice simple provenant de la spectroscopie de réflectance, fournissant ainsi une nouvelle stratégie de paléolimnologie pour évaluer rapidement, et de façon exploratoire, le statut trophique changeant d’un lac. [Traduit par la Rédaction] Das et al. 1078