ベッドフォームの分離とロックにより、河川における天然および合成粒子の貯留が増加します

Nature Communications volume 12、記事番号: 7315 (2021) この記事を引用

1937 年のアクセス数

2 引用

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

河川における漏水交換と微粒子輸送の生態学的重要性は十分に確立されているが、これらのプロセスは一般に河床の形態力学とは無関係であると考えられている。我々は、漏水交換、浮遊堆積物の堆積、および砂床の運動の間の結合が形態力学を強く調節し、砂床の堆積物を選別することを示す。地下水交換により、移動床型内およびその下に微粒子の堆積が集中し、床の移動性が抑制されます。しかし、堆積した微粒子も床の動きによって再可動化し、床内で粗大粒子と微粒子を分離するメカニズムを提供します。驚くべきことに、層の安定化と再可動化の競合する相互作用から 2 つの異なる最終状態が出現します。1 つは微粒子の堆積により層が完全に安定化するロック状態、もう 1 つは頻繁な再可動化により層が整理され、可動性が回復する動的平衡です。これらの発見は、川底の形態力学に対する下水交換の重要性を実証し、粗粒子と微粒子の間の動的相互作用がどのようにして河川で一般的に見られる堆積パターンを生み出すのかを明らかにします。

川は、溶解した物質と粒子状物質の両方を大陸から海洋に運びます。陸生粒子状物質は、沖積河道の構造 1、三角州の海岸線 2 の維持、および水生生態系の維持において重要な役割を果たしています 3,4。粒子状有機物は、河床や氾濫原 5 に滞留し、三角州の単斜形層 6 に埋もれ、海洋堆積物 7,8 に蓄積されます。その結果、河川系内部の動態が炭素の代謝を調節し、年間 5.1 Pg の炭素が河川から大気へ流出し、0.9 Pg9 の陸地由来の炭素が海洋に供給されます 5、8、10、11、12。土地開発と農業により、土壌浸食と粒子状物質の河川への排出が大幅に増加しました13。堆積物中のこれらの微粒子の過剰な蓄積（沈泥、埋め込み）は、今日の水生生態系を損なう主な原因の 1 つです 14,15。これらの影響は、粒子自体が有毒である場合（金属鉱山の尾鉱など）、非常に悪化します16。同時に、大量のプラスチックが水生系に導入され、異常な数の小さな粒子、破片、繊維（総称してマイクロプラスチックと呼ばれる）が生成され、河川系を通って輸送され、河川系内に蓄積されます17、18。このような合成粒子の貯蔵期間と水生生態系に対する長期的な影響は現時点では不明です。

陸生、水生、および人為起源の粒子は、川の源流から沿岸生態系まで輸送される際に、太陽光や水柱内の酸素の変化、物理的摩耗、強い酸化還元勾配、川底での多様な微生物代謝など、幅広い条件にさらされます19,20。、21。溶解した粒子状の有機物は、川と、川の水が地下水と混ざり合う川底の高度に生物活性な領域である低透水帯内で変化します19。低漏水交換は、酸素、炭素、栄養素を底生および低漏水の微生物群集に届けることにより、微生物の代謝を促進します19。貧漏交換の速度と範囲は、川の流れ、水路の形態、および川底の浸透性によって制御されます。それにもかかわらず、漏水フラックスと貯留時間スケールは、河川中の粒子状有機物またはマイクロプラスチックの動態に関する数値的および概念的なモデルには組み込まれていません 22、23、24、25。

これまでに、微細（直径 < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}\)）で軽い（比重 ~1）の無機、有機、および合成粒子が川底に堆積しています。沈降速度が遅いため、一般に水柱中に浮遊したままであると考えられているため、考慮されていません26。初期の研究では、微細粒子および/または軽量粒子が河床の形態力学に影響を与える可能性があることが示されており 27、微細粒子は流体特性を調節することが知られています 28 が、一般にそれらは河床との相互作用は最小限にとどまると考えられています 29。最近の研究では、微粒子が河床の傾斜を変化させ30、河床負荷の一部として河床堆積物と相互作用する可能性があることが示されているため、微粒子が河床の形態力学に影響を与える可能性があるという認識が高まっています31、32。さらに、微細な浮遊粒子は貧水交換によって川底に輸送され、地下に蓄積します33、34、35、36。

relative to sand alone ) decreased linearly with the stabilization ratio (Fig. 2b). Stabilization of mobile sediment beds solely by deposition of fine particles from the water column has not previously been quantified. These findings indicate that fine-particle deposition and remobilization episodically regulate the morphodynamics of sand-bed rivers./p> 0), deposited clay is frequently remobilized from within bedforms, and long-term deposition only occurs in a horizontal layer below the active region of bed sediment transport. For this case, we observed a peak in clay accumulation at the location of the most frequent (modal) scour depth (Fig. 3a). This can be considered the result of a stochastic process in which passage of a random series of bedforms induces both downward motion of suspended particles along hyporheic flow paths and remobilization of deposited particles though scour. This remobilization can be considered a type of winnowing process removing fine particles from the sediment bed. However, repeated passage of bedforms moves clay particles deeper into the bed, and ultimately into regions from which they are not remobilized44. The resulting clay accumulation layer is horizontal because it is formed by the passage of many bedforms, which longitudinally homogenizes the effects of hyporheic exchange processes45. Conversely, when stabilization dominates, there is extensive deposition of clay within each bedform and the resulting strong local stabilization slows and ultimately stops bed sediment motion. For the locked case, we observed that clay accumulation decreased monotonically with depth in the bed (Fig. 3b), as expected for a process driven by flux of sediment particle from the water column46,47./p>