Моделирование растворенных изотопов кислорода уточняет оценки метаболического состояния речных экосистем с различным фоном землепользования.

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 10204 (2022) Цитировать эту статью

1104 Доступа

1 Цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Растворенный кислород (DO) имеет решающее значение для аэробной жизни в ручьях и реках и в основном зависит от фотосинтеза (P), дыхания экосистемы (R) и атмосферного газообмена (G). Однако изменения климата и землепользования постепенно нарушают метаболический баланс в природных водотоках, являющихся чувствительными отражателями их водосборов. Комплексные методы картирования фундаментальных экосистемных услуг становятся все более важными в быстро меняющейся среде. В этой работе мы протестировали DO и соотношение его стабильных изотопов (18O/16O) как новые инструменты для определения состояния речных экосистем. С этой целью было проведено шесть кампаний по дневному отбору проб в трех европейских реках низкого и среднего порядка с различными моделями землепользования. Моделирование суточного содержания растворенного кислорода и его стабильных изотопов в сочетании с анализом землепользования показало самые низкие уровни фосфора на лесных участках, минимум 17,9 мг м-2 ч-1. Из-за высоких показателей R от 230 до 341 мг м-2 ч-1 в пяти из шести исследованных участков наблюдалось общее гетеротрофное состояние с соотношением P:R:G от 0,1:1,1:1 до 1:1,9:1. Только один участок с сельскохозяйственным и городским влиянием показал высокую норму фосфора, составившую 417 мг м-2 ч-1, с соотношением P:R:G 1,9:1,5:1. Между всеми участками валовая скорость G варьировала от 148 до 298 мг м-2 ч-1. В целом скорость метаболизма зависит от расстояния мест отбора проб до речных источников, наличия света, концентрации питательных веществ и возможного обмена с грунтовыми водами. Представленный подход к моделированию представляет новый и мощный инструмент для изучения влияния землепользования на здоровье водотоков. Такие подходы должны быть интегрированы в будущий экологический мониторинг.

Ручьи и реки являются одними из важнейших индикаторов состояния окружающей среды наших континентов1–4. Они также являются наиболее важными переносчиками материалов с континентов в океаны и, будучи самыми нижними линиями ландшафта, интегрируют воду и ее растворенные компоненты из водосборов5–7. Кроме того, реки, ручьи и их прибрежные экосистемы, включая гипорейную зону (ГЗ), являются важными отражателями континентальных циклов углерода и кислорода, которые в настоящее время претерпевают радикальные изменения из-за быстрых экологических изменений климата и землепользования8–12,13.

Растворенный кислород (РК) имеет решающее значение для выживания водной аэробной жизни. Он также необходим для круговорота питательных веществ и играет центральную роль в окислении органического углерода14,15. В большинстве исследований рек и ручьев измеряется содержание растворенного кислорода регулярно и зачастую с высоким разрешением16–18. Однако источники и поглотители DO часто остаются неизвестными. Физические процессы, контролирующие концентрацию РК, включают газообмен (Г) с атмосферой. Биологические процессы включают метаболизм водной экосистемы с дыханием (R) в качестве поглотителя DO и фотосинтезом (P) в качестве источника. Эти три процесса являются ключевыми факторами пула DO в почасовом и сезонном масштабах19. G не зависит от времени суток и всегда приводит концентрации DO к атмосферному равновесию. В дневное время P автотрофов обычно увеличивает DO и может привести к перенасыщению толщи воды. С другой стороны, R гетеротрофов может вызвать недонасыщение, особенно когда P низкий или отсутствует в ночное время. Такие потери DO усиливаются, когда скорости G низкие.

Понимание этих процессов имеет важное значение для водных экосистем, и недавний анализ базы данных GLOBAL RIver Chemistry (GLORICH) предполагает все более гетеротрофное состояние рек, которое может еще больше ухудшиться из-за будущего глобального потепления2,20. Такие тенденции подчеркивают важность создания новых и комплексных инструментов количественного определения источников и поглотителей растворенного кислорода, которые могут помочь количественно оценить метаболическое состояние и экологическое функционирование водной среды. Эти инструменты могут помочь охарактеризовать функционирование системы и способствовать раннему выявлению изменений в терминах источников и поглотителей растворенного кислорода. Такие оценки могут также позволить смягчить пагубные последствия для речных экосистем и их биоты19,21–24.