용존 산소 동위원소 모델링은 다양한 토지 이용 배경을 가진 하천 생태계의 대사 상태 추정치를 개선합니다.

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 10204(2022) 이 기사 인용

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용존 산소(DO)는 하천과 강의 호기성 생물에 매우 중요하며 대부분 광합성(P), 생태계 호흡(R) 및 대기 가스 교환(G)에 의존합니다. 그러나 기후와 토지 이용 변화는 유역의 민감한 반영자로서 자연 하천의 대사 균형을 점진적으로 방해합니다. 급변하는 환경에서 기본적인 생태계 서비스를 매핑하는 포괄적인 방법이 점점 더 중요해지고 있습니다. 이 연구에서 우리는 하천 생태계의 상태에 대한 새로운 도구로서 DO와 안정 동위원소(18O/16O) 비율을 테스트했습니다. 이를 위해 토지 이용 패턴이 서로 다른 3개의 저위도 및 중위도 유럽 하천에서 6개의 다이 샘플링 캠페인이 수행되었습니다. 토지 이용 분석과 결합된 딜 DO 및 안정 동위원소의 모델링은 숲이 우거진 지역에서 최소 17.9 mg m−2 h−1로 가장 낮은 인 비율을 보여주었습니다. 230~341 mg m−2 h−1 사이의 높은 R ​​비율로 인해 6개 연구 현장 중 5개는 P:R:G 비율이 0.1:1.1:1에서 1:1.9:1 사이인 일반적인 종속영양 상태를 나타냈습니다. 농업과 도시의 영향을 받은 단 한 곳에서만 P:R:G 비율이 1.9:1.5:1로 417 mg m−2 h−1의 높은 P 비율이 나타났습니다. 모든 현장에서 총 G 비율은 148~298 mg m−2 h−1 사이에서 다양했습니다. 일반적으로 대사율은 샘플링 위치에서 하천 수원까지의 거리, 빛의 가용성, 영양분 농도 및 지하수와의 교환 가능성에 따라 달라집니다. 제시된 모델링 접근 방식은 토지 이용이 하천 건강에 미치는 영향을 연구하는 새롭고 강력한 도구를 소개합니다. 이러한 접근법은 미래의 생태학적 모니터링에 통합되어야 합니다.

하천과 강은 대륙의 환경 상태를 나타내는 가장 중요한 지표 중 하나입니다1-4. 그들은 또한 대륙에서 해양으로 물질을 운반하는 가장 중요한 운반자이며, 경관의 가장 낮은 경계로서 집수지에서 물과 용해된 성분을 통합합니다5-7. 또한, 강, 하천 및 강기슭 생태계(HZ)는 현재 기후 및 토지 이용의 급격한 환경 변화로 인해 급격한 변화를 겪고 있는 대륙 탄소 및 산소 순환을 반영하는 중요한 요소입니다8-12,13.

용존 산소(DO)는 수중 호기성 생물의 생존에 중추적인 역할을 합니다. 이는 또한 영양분 순환에도 필요하며 유기 탄소 산화에서 중심 역할을 합니다14,15. 강과 하천에 관한 대부분의 연구는 DO를 정기적으로 그리고 종종 고해상도로 측정합니다16-18. 그러나 DO 발생원과 흡수원은 종종 알려지지 않은 채로 남아 있습니다. DO 농도를 제어하는 ​​물리적 과정에는 대기와의 가스 교환(G)이 포함됩니다. 생물학적 과정에는 DO 흡수원인 호흡(R)과 공급원인 광합성(P)이 있는 수생 생태계 대사가 포함됩니다. 이 세 가지 프로세스는 시간별 및 계절별 시간 단위에서 DO 풀의 주요 동인입니다19. G는 하루 중 시간과 무관하며 항상 DO 농도를 대기 평형으로 유도하는 역할을 합니다. 낮 동안 독립영양생물에 의한 P는 일반적으로 DO를 증가시키고 물기둥의 과포화를 초래할 수 있습니다. 반면, 종속영양생물에 의한 R은 특히 밤에 P가 낮거나 없을 때 과소포화를 유발할 수 있습니다. 이러한 DO 손실은 G 비율이 낮을 때 증가합니다.

이러한 과정에 대한 이해는 수생 생태계에 필수적이며 GLORICH(Global RIver CHemistry 데이터베이스)의 최근 분석에 따르면 하천의 종속영양 상태가 점점 증가하고 있으며 이는 미래의 지구 온난화로 인해 더욱 악화될 수 있다고 제안했습니다2,20. 이러한 추세는 수생 환경의 대사 상태와 생태적 기능을 정량화하는 데 도움이 될 수 있는 DO 공급원 및 흡수원 정량화의 새롭고 필수적인 도구를 확립하는 것이 중요함을 강조합니다. 이러한 도구는 시스템 기능을 특성화하는 데 도움이 될 수 있으며 DO 소스 및 흡수원 용어의 변화를 조기에 인식하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이러한 평가를 통해 하천 생태계와 생물군에 해로운 결과를 완화할 수도 있습니다19,21-24.