Сегрегация и блокировка пластов увеличивают накопление природных и синтетических частиц в реках.

Nature Communications, том 12, номер статьи: 7315 (2021) Цитировать эту статью

Доступы 1937 г.

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Хотя экологическое значение гипорейного обмена и транспорта мелких частиц в реках хорошо установлено, эти процессы обычно считаются не имеющими отношения к морфодинамике русла реки. Мы показываем, что связь между гипорейным обменом, отложением взвешенных отложений и движением песчаных пластов сильно модулирует морфодинамику и сортирует донные отложения. Гипорейический обмен фокусирует отложение мелких частиц внутри и под подвижными пластами, что подавляет подвижность пластов. Однако отложившаяся мелочь также ремобилизуется за счет движения осыпи, обеспечивая механизм разделения крупных и мелких частиц в слое. Удивительно, но в результате конкурирующего взаимодействия стабилизации и ремобилизации слоя возникают два различных конечных состояния: состояние блокировки, в котором осаждение мелких частиц полностью стабилизирует слой, и динамическое равновесие, при котором частая ремобилизация сортирует слой и восстанавливает подвижность. Эти результаты демонстрируют значение гипорейного обмена для морфодинамики русла реки и проясняют, как динамические взаимодействия между крупными и мелкими частицами создают осадочные структуры, обычно встречающиеся в реках.

Реки переносят как растворенный, так и твердый материал с континентов в океаны. Наземные твердые частицы играют ключевую роль в структурировании аллювиальных речных русел1, поддержании дельтовых береговых линий2 и поддержке водных экосистем3,4. Твердые органические вещества задерживаются в руслах рек и поймах рек5, погребены в дельтовых клиноформах6 и накапливаются в морских отложениях7,8. Следовательно, внутренняя динамика речной системы регулирует метаболизм углерода, обеспечивая ежегодный выброс 5,1 Пг углерода из рек в атмосферу и доставляя 0,9 Пг9 углерода наземного происхождения в океаны5,8,10,11,12. Освоение земель и сельское хозяйство существенно увеличили эрозию почвы и попадание твердых частиц в реки13. Чрезмерное накопление этих мелких частиц в отложениях (заиление, залипание) сегодня является одной из основных причин ухудшения состояния водных экосистем14,15. Эти воздействия значительно усугубляются, когда частицы сами по себе токсичны (например, хвосты металлургических рудников)16. Одновременно с этим в водные системы было введено большое количество пластика, в результате чего образовалось необычайное количество мелких частиц, фрагментов и волокон (вместе называемых микропластиком), которые переносятся и накапливаются в речных системах17,18. Время хранения таких синтетических частиц и их долгосрочные последствия для водных экосистем в настоящее время неизвестны.

Наземные, водные и антропогенные частицы подвергаются воздействию широкого спектра условий во время переноса из истоков рек в прибрежные экосистемы, включая изменения солнечного света и кислорода в толще воды, физическое истирание, сильные окислительно-восстановительные градиенты и разнообразный микробный метаболизм в русле реки19,20. , 21. Растворенное и взвешенное органическое вещество трансформируется как в ручье, так и в гипорейной зоне – высокобиоактивной зоне русла реки, где речная вода смешивается с грунтовыми водами19. Гипорейный обмен облегчает микробный метаболизм, доставляя кислород, углерод и питательные вещества в донные и гипорейные микробные сообщества19. Скорость и степень гипорейного обмена контролируются речным стоком, морфологией русла и проницаемостью русла реки. Тем не менее, гипорейный поток и сроки хранения не были включены в числовые и концептуальные модели динамики твердых частиц органического вещества или микропластика в реках22,23,24,25.

К настоящему времени отмечено отложение мелких (диаметр < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\)) и легких (удельный вес ~1) неорганических, органических и синтетических частиц в руслах рек. не рассматривались, поскольку обычно предполагается, что они остаются во взвешенном состоянии в толще воды из-за низких скоростей осаждения26. Хотя ранние исследования показали, что мелкие и/или легкие частицы могут влиять на морфодинамику русла27, а мелкие частицы, как известно, модулируют свойства жидкости28, обычно предполагается, что они лишь минимально взаимодействуют с руслами рек29. Все больше осознается, что мелкие частицы могут влиять на морфодинамику пласта, поскольку недавние исследования показали, что мелкие частицы могут изменять уклон пласта30 и взаимодействовать с донными отложениями как часть пластовой нагрузки31,32. Более того, мелкие взвешенные частицы переносятся в русла рек посредством гипорейного обмена и накапливаются в недрах33,34,35,36.

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>