The aim of the research

The aim of the research is to quantify last 500 year changes in climate and land use in the area of Lake Balaton by analyzing gravity sediment cores from four sub-basins of Lake Balaton. We study the responses of aquatic communities, the speed of ecosystem reorganisation in the different sub-basins (Keszthely, Szigligeti, Szemesi, Siófok) at different spatial and temporal scales. This will be supported by pollen, diatom, cladoceran and chironomid analyses, detailed sediment chemistry and environmental DNA analyses (Fig.1).

Figure 1. Proxies examined: pollen, chironomid, diatom, cladocera, chemistry, DNA

Lake water level trends

Until 1863, the water level of Lake Balaton was determined by very different hydrological conditions. These were, in summary, as follows: 

• different vegetation cover and cultivation in the catchment area (A large areas of deforestation in the catchment have changed runoff patterns, and warmer weather has led to more extreme);

• precipitation distribution and increased erosion.);

• lack of regulation of the watercourses feeding the lake;

• pristine condition of Kis-Balaton, Nagyberek and the Tapolca basin (marshlands around Lake Balaton);

• limited water transport capacity of the Sió-channel, the  Sió-sluice not yet built

Figure 2. Changes in the water level of Lake Balaton in the past based on 3 reconstructions (Sági & Füzes, 1973 top; Kern,2009 middle; Zlinszky, 2011 bottom)

Artificial regulation of the water level of Lake Balaton - Development of a recreation lake

• After 1863, the Siófok sluice and water meter were put into operation, and the water level control band was gradually narrowed and raised

• 2016: abolition of the water level control band, regulation level at 120 cm to reduce the occurrence of extremely low water levels during periods of permanent water shortage

Figure 3. Annual minimum, average and maximum water levels of Lake Balaton between 1863-2019 (based on VITUKI and KDTVÍZIG data, ed. Varga & Jakus)

The adverse consequences of water level rise

• Phosphorus recharge during calm weather in deep water areas during summer  due to developing anoxia (Istvanovics et al., 2022)

• Cyanobacteria (blue algae) blooms

Figure 4.  P sources (left) and  P emissivity (right) of Lake Balaton and its catchment (source: Adrienne Clement Dr., 2021)

Sampling of Lake Balaton

To select sampling point in the four sub-basins, we use earlier works of Tibor Cserny and his team (Cserny et al., 1987) and the seismic survey results of Ferenc Horváth and Ferenc Visnovitz (Department of Geophysics, ELTE; Visnovitz & Horváth, 2013)

Figure 5. Planned coring locations in the Lake Balaton sub-basins

Planned analyses

• Radiometric dating of the sediment cores by ²¹⁰Pb/¹³⁷Cs

• Pollen analysis - surface vegetation cover - reconstruction of vegetation changes, climate reconstruction

• water quality, lake trophic changes

• Geochemical analyses (major and trace elements, TOC, C/N)

• Cladocera analysis

• Diatom analysis

• eDNA - algal flora transformation

Objectives

• Reconstructing changes in surface vegetation cover in the effective pollen source area of Lake Balaton, investigating human impact on the vegetation

• Investigating the transformation of the in-lake biotic communities and the external drivers of lake ecosystem change

• Analysis of water quality changes over the  last 500 years

Preliminary results from the Szemes sub-basin of Lake Balaton

Composition of the modern chironomid fauna

Currently 54 chironomid species live in the lake. Of these, 3 species dominate, with different abundances in the sub-basins. Chironomus balatonicus dominates in the western basins (Keszthelyi, Szigligeti), Procladius choreus dominates in the Szemesi basin, while Tanypus punctipennis dominates in the Siófok basin alongside Procladius choreus (Specziár, 2008).

Figure 6. Distribution of chironomids fauna in the sub-basins of Lake Balaton

Preliminary results of chironomid analyses in the sediment of Core 34f 

Altogether 14 taxa were identified from the lake sediment. Of these, we present relative frequency changes of the 3 most abundant taxa. The lake had a relatively stable species composition over the last 500 years until ~1920. Between 1920-1950 the relative frequency of Chironomus plumosus-type increased significantly, and from 1950 onwards the basin was again characterized by Procladius dominance. From 1735 until ~1920, the taxon Stempellina-type was also abundant, but has now almost disappeared from the Szemes sub-basin. This taxon is most common in oligotrophic, warm-water lakes, while Chironomus plumosus-type is often more abundant in eutrophic lakes. These three taxa therefore illustrate the significant changes that have occurred in the lake, especially after the 1920s, to which the fauna has responded.

Figure 7.  Results of chironomids reltive frequency

Preliminary results of the diatom analysis from core 34f 

For diatom composition, species level identifications are in progress, currently we analyzed diatom guilds. Centric diatoms (except Aulacoseira) may indicate climate change since ~2000, increasing temperature and decreasing viscosity of the water. The higher relative frequency of Aulacoseira spp and Centric diatoms (planktonic species) between 1450-1600 is mainly indicative of a deeper or turbulent aquatic environment. The proportion of Fragilariod diatoms (heavy) starts to increase in the second half of the 17th century, in good agreement with the decreasing water level, but from the 1920s onwards the proportion of species of this group shows a significant decrease, the interpretation of this change is still uncertain.

Figure 8. Some pictures of the main diatom (from left to right Aulacoseira spp, Centric, Fragilariod (heavy))

Pollen results

From 1530 the proportion of grasslands increased, cereal cultivation intensified, and the rate of fire induced deforestation increased. From 1730 cereal cultivation intensified and the rate of deforestation increased again. The beginning of the inter-war period (1918) is marked by a decrease in the proportion of grassland, increase in the proportion of farmland and a short increase in the proportion of woodland. In the period 1945-1960, secondary forest succession was indicated by the increase of hawthorn (Crataegus).

Figure 9. Changes in the relative frequencies of main pollen

Relevant publications and conference presentations

Magyari, E. ; Szabó, Z. ; Pálfi, I. ; Merkl, M ; Kuneš, P. ; Abraham, V. ; Csüllög, G. ; Szalai, Z. ; Bihari, Á. A Balaton vízminőség változása és a Dunántúli táj felszínborítás változása közti kapcsolat a középkortól napjainkig. In: Bosnakoff, Mariann; Főzy, István; Szives, Ottilia (szerk.) 25. Magyar Őslénytani Vándorgyűlés. Tótvázsony, Magyarország : Magyarhoni Földtani Társulat. Program, előadáskivonatok, kirándulásvezető (2022) p. 24

Ivett, Pálfi ; Mihály, Pósfai ; Ferenc, Kristály ; Daniel, Veres ; Fabien, Arnaud ; Zoltán, Szalai ; Fruzsina, Gresina ; Zoltán, Szabó ; Gabriella, Darabos ; János, Korponai ; György Czuppon, Attila Demény, Enikő Magyari. Geochemical survey of Lake Balaton sediments: holocene paleoenvironment and paleoclimate. In: European, Geosciences Union General Assembly EGU General Assembly 2021: Conference Abstracts, Göttingen, Németország : EGU General Assembly (2021) Paper: EGU21-15654

Magyari, Enikő ; Szabó, Zoltán ; Pálfi, Ivett ; Petr, Kuneš ; Vojtech, Abraham ; Csüllög, Gábor ; Szalai, Zoltán ; Bihari, Árpád. A Balaton vízminőség-változása és a dunántúli táj felszínborítás-változása közti kapcsolat a középkortól napjainkig paleoökológiai vizsgálatok alapján. In: Tinya, Flóra (szerk.) 12. Magyar Ökológus Kongresszus : Előadások és poszterek összefoglalói, Vácrátót, Magyarország : MTA Ökológiai Kutatóközpont Ökológiai és Botanikai Intézet (2021) p. 85

Magyari, Enikő ; Buczkó, Krisztina ; Szabó, Zoltán ; Bálint, Miklós ; Korponai, János. Pollenekbe zárt klímaváltozás: a gyors felmelegedések és hatásuk az emberi kultúrákra 20 ezer évtől napjainkig: Climate change revealed by pollen analysis: rapid warmings and their impact on human societies since the last glacial maximum. In: Prázsmári, Hunor (szerk.) 21th Biology Days: Zilele Biologice din Cluj, ed. a 21-a: 21. Kolozsvári Biológus Napok : Abstracts: Volum de abstracte: Kivonatfüzet (2021) 62 p. p. 12

Pálfi, I ; Pósfai, M ; Kristály, F ; Veres, D ; Fabien, A ; Szalai, Z ; Gresina, F ; Szabó, Z ; Darabos, G ; Korponai, J ; Czuppon Gy; Demény A; Magyari E. A Balaton üledékeinek geokémiai vizsgálata: holocén őskörnyezet és paleoklíma = Geochemical survey of Lake Balaton sediments: Holocene paleoenvironment and paleoclimate. In: Cseresznyés, D; Király, Cs (szerk.) XVI. Kárpát-medencei Környezettudományi Konferencia = 16th Carpathian Basin Conference for Environmental Sciences : absztrakt kötet = abstract book, Budapest, Magyarország : ELTE Természettudományi Kar (2021) 239 p. p. 43

Szabó, Zoltán ; Pálfi, Ivett ; Buczkó, Krisztina ; Korponai, János ; Magyari, Enikő. A Balaton vízminőség változása középkortól napjainkig paleoökológiai vizsgálatok alapján. In: Bozóki, Tamás (szerk.) Gyakorlati kérdések és tudományos válaszok a hidrobiológiában (2021) p. 41

Pálfi Ivett, Pósfai Mihály, Kristály Ferenc, Korponai János, Daniel Veres, Fabien Arnaud, Szalai Zoltán, Gresina Fruzsina, Szabó Zoltán, Darabos Gabriella, Magyari Enikő. A Balaton üldékeinek geokémiai vizsgálata: holocén és későglaciális őskörnyzet és paleoklíma. In: Bosnakoff, Mariann; Szives, Ottilia; Főzy, István (szerk.) 23. Magyar Őslénytani Vándorgyűlés : Program, Előadáskivonatok. Budapest, Magyarország : Magyarhoni Földtani Társulat (2020) p. 23

Enikő, Magyari ; Luca, Szádovszky ; Petr, Kuneš ; Vojtech, Abraham ; Zoltán, Szabó ; Gábor, Csüllög ; Árpád, Bihari. Historical land cover changes in Pannonia as inferred by REVEALS modelling of pollen spectra from Lake Balaton. In: 20th Congress of the International Union for Quaternary Research (INQUA) (2019) Paper: 94387

Enikő Magyari, Luca Szádovszky, Petr Kuneš, Vojtech Abraham, Zoltán Szabó, Gábor Csüllög, Árpád Bihari. A Dunántúli táj felszínborítás változása a középkortól napjainkig pollen alapú kvantitatív rekonstrukciók alapján. In: Bosnakoff, Mariann; Főzy, István (szerk.) 22. Magyar Őslénytani Vándorgyűlés, Döbrönte. Program, előadáskivonatok,kirándulásvezető. Budapest, Magyarország : Magyarhoni Földtani Társulat (2019) 72 p. p. 25

References

Clement, A., 2021. A Balaton külső tápanyagterhelése: források, trendek és nagyságrendek. „A BALATON TÁPANYAGTERHELÉSE” TUDOMÁNYOS ELŐADÓÜLÉS. Balatoni Limnológiai Intézet, Tihany, 2021. szeptember 21.

Cserny, T., 1987. Results of recent investigations of the Lake Balaton deposits. In: Pécsi, M. & Kordos, L. (eds.. Holocene environment in Hungary. Geographical Research Insititute Hungarian Academy of Sciences, Budapest. pp. 67-76.

Istvánovics, V., Honti, M., Torma, P., Kousal, J., 2022: Record‐setting algal bloom in polymictic Lake Balaton (Hungary): A synergistic impact of climate change and (mis)management FRESHWATER BIOLOGY 67 : 6 pp. 1091-1106. Paper: - , 16 p.

Kern, Z., 2009: Balaton-felvidéki tölgyek évgyűrűszélességének kapcsolata a Balaton vízszintingadozásával. in: Kázmér M. (szerk.): Környezettörténet. Az elmúlt 500 év környezeti eseményei történeti és természettudományi források tükrében. Hantken kiadó, Budapest, pp. 357–366

Sági, K., Füzes, M., 1973. Újabb adatok a Balaton 1863 előtti vízállás tendenciáinak kérdéséhez. Somogy Múzeumok Közleményei.

Specziár, A., 2008. Life history patterns of Procladius choreus, Tanypus punctipennis and Chironomus balatonicus in Lake Balaton. Ann. Limnol. 44, 181–188. https://doi.org/10.1051/limn:2008002

Varga, G., Jakus, Á., 2020. Gondolatok a Balaton időben változó vízháztartásáról és vízszintszabályozásáról. GeoMetodika 4, 5–16. https://doi.org/10.26888/geomet.2020.4.2.1

Visnovitz, F. & Horváth, F. 2013: Pleistocene sediments under the Lake Balaton’s mud layer. — In: ZÁKÁNYI B., FAUR K. B. (szerk.): IX. Kárpát-medencei környezettudományi konferencia. Miskolc, 2013. 06. 13 – 2013. 06. 15., Miskolci Egyetem Műszaki Földtudományi Kar, 230–236. ISBN:978-963-358-032-5

Zlinszky, A., 2011. A BALATON ÉS A KÖRNYEZŐ MOCSARAK TÖRTÉNELMI REKONSTRUKCIÓJA TÉRINFORMATIKAI MÓDSZEREKKEL. Ecol. Lake Balaton/ A Balat. ökológiája 1, 49–60.