溶存酸素同位体モデリングにより、さまざまな土地利用背景を持つ河川生態系の代謝状態推定値が精緻化される

Scientific Reports volume 12、記事番号: 10204 (2022) この記事を引用

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溶存酸素（DO）は小川や川での好気性生物にとって極めて重要であり、主に光合成（P）、生態系呼吸（R）、大気ガス交換（G）に依存しています。 しかし、気候と土地利用の変化は、集水域を敏感に反映する自然の流れの代謝バランスを徐々に崩します。 基本的な生態系サービスをマッピングするための包括的な方法は、急速に変化する環境においてますます重要になっています。 この研究では、河川生態系の状態を把握するための新しいツールとして、DO とその安定同位体 (18O/16O) 比をテストしました。 この目的のために、異なる土地利用パターンを持つヨーロッパの中緯度および低次の 3 つの河川で 6 つのディーゼルサンプリングキャンペーンが実施されました。 土地利用分析と組み合わせたジエル DO とその安定同位体のモデル化により、森林地帯での P 濃度が最低 17.9 mg m-2 h-1 であることが示されました。 230 ～ 341 mg m-2 h-1 の高い R 率により、6 つの研究施設のうち 5 つでは、P:R:G 比が 0.1:1.1:1 ～ 1:1.9:1 の一般的な従属栄養状態を示しました。 農業および都市の影響を受けた 1 つのサイトのみが、P:R:G 比 1.9:1.5:1 で 417 mg m-2 h-1 という高い P 濃度を示しました。 すべてのサイト間で総 G 速度は 148 ～ 298 mg m-2 h-1 の間で変化しました。 一般に、代謝率は、サンプリング場所から河川源までの距離、光の利用可能性、栄養素の濃度、地下水との交換の可能性によって決まります。 提示されたモデリング アプローチは、河川の健全性に対する土地利用の影響を研究するための新しく強力なツールを導入します。 このようなアプローチは、将来の生態学的モニタリングに統合されるべきです。

小川と河川は、大陸の環境状態を示す最も重要な指標の 1 つです 1-4。 それらは大陸から海洋への物質の最も重要な輸送体でもあり、景観の最も低いリニアメントとして集水域からの水とその溶解成分を統合します5-7。 さらに、河川、小川、およびその河畔生態系（低水帯（HZ）を含む）は、気候と土地利用の急速な環境変化により現在劇的な変化を経験している大陸の炭素と酸素の循環を反映する重要な要素である8-12、13。

溶存酸素 (DO) は、水生好気性生物の生存にとって極めて重要です。 また、栄養素の循環にも必要であり、有機炭素の酸化において中心的な役割を果たします14,15。 河川に関する研究の大部分は、DO を日常的に、そして多くの場合高解像度で測定しています 16-18。 ただし、DO のソースとシンクは不明なままであることがよくあります。 DO 濃度を制御する物理プロセスには、大気とのガス交換 (G) が含まれます。 生物学的プロセスには、DO 吸収源としての呼吸 (R) と供給源としての光合成 (P) による水生生態系の代謝が含まれます。 これら 3 つのプロセスは、時間単位から季節単位のタイムスケールにおける DO プールの主要な推進力です19。 G は時間帯とは無関係で、常に DO 濃度を大気平衡に向けて推進するように作用します。 日中は独立栄養生物による P が通常 DO を増加させ、水柱の過飽和を引き起こす可能性があります。 一方、従属栄養生物による R は、特に P が低いか夜間に存在しない場合、飽和不足を引き起こす可能性があります。 このような DO 損失は、G レートが低い場合に増大します。

これらのプロセスを理解することは水生生態系にとって不可欠であり、Global RIver CHemistry データベース (GLORICH) の最近の分析では、河川の従属栄養状態がますます増大し、将来の地球温暖化によりさらに悪化する可能性があることが示唆されました 2,20。 このような傾向は、水生環境の代謝状態と生態学的機能の定量化に役立つ、DO の発生源と吸収源を定量化するための新しい不可欠なツールを確立することの重要性を強調しています。 これらのツールは、システムの機能を特徴付けるのに役立ち、DO ソースとシンクの用語の変化の早期認識に貢献する可能性があります。 このような評価により、河川生態系とその生物相に対する有害な影響を軽減できる可能性もあります19,21-24。