川は、ほとんど肉眼では見えない物質のカクテルを運んでおり、その歴史と流れている土地についての物語を語っています.流域全体でこれらの物質の微妙な違いを分析することにより、水生科学者は、陸上および水自体で行われている生物学的プロセスについての手がかりを解読できます。ミシシッピ川の源流に関する調査では、これらのプロセスの手がかりを解きほぐし、農業への土地転換やダム建設などの人間の影響が川の化学的性質と生態系に微妙な影響を与えることを学びました。
ミネソタ州の大部分とウィスコンシン州北西部の一部を占めるミシシッピ川上流は、さまざまな土地に水を流しています。盆地は、西部の主に農地から東部の森林と湿地への移行を経験しています。農業が盛んなミネソタ川では、著しい土壌浸食によって堆積物濃度が高くなり、外観が泥だらけになっています。まったく対照的に、ウィスコンシン州のチッペワ川の広大な湿地では、植物が溶けて茶色の水が作られます。
ミシシッピ川堆積物の化学組成
私たちの研究は、植物や鉱物からの溶存炭素からガス状二酸化炭素、堆積物によって運ばれる炭素まで、ミシシッピ川によって運ばれるさまざまな形態の炭素に焦点を当てました。最も豊富な形態である溶存無機炭素 (DIC) は、岩石や土壌に溶解しているミネラルに加えて、大気中の溶存二酸化炭素や生物呼吸によって生成される二酸化炭素に由来します。 2 番目に豊富な形態の炭素は溶存有機炭素 (DOC) で、これは植物、土壌、微生物、プランクトンからの有機物質の溶解によって生成されます。最後に、粒子状有機炭素 (POC) は、堆積物粒子に付着した同じソースからの有機破片です。これらのタイプの炭素が川の生態系で果たすさまざまな役割は、時間の経過とともに化学組成に明確な変化をもたらします。
これらの形態の炭素の化学的構成は、特定の物理的および生物学的プロセスによって変化する可能性があります。私たちの研究では、炭素の 3 つの主要な特性に注目しました。第 1 に、さまざまな有機原料 (植物やバクテリアなど) には、さまざまな割合のビルディング ブロック分子が含まれています。これらのタイプの化合物の相対量 (疎水性有機酸含有量と呼ばれる特性) を測定することにより、より多くの森林地域を排水する支流の DOC が、農業地域を排水する支流の DOC とは異なる構成を持っていることを確認しました.
私たちが分析した他の 2 つの特性は、DIC、DOC、および POC における炭素の異なる同位体の相対量でした。安定した炭素同位体組成 (つまり、炭素 13 と炭素 12 の量) は、有機原料と、光合成や呼吸などの生物学的プロセスの両方によって影響を受けます。たとえば、POC の安定炭素同位体組成は、炭素が主に陸上植物または水生藻に由来するかどうかを示すことができます。最後に、放射性炭素の組成 (炭素 14 と炭素 12 の量) は、炭素の年齢によって決まります。つまり、「古い」炭素 (岩石鉱物や化石燃料など) は「若い」炭素 (植物など) とは大きく異なります。 ）。そのため、たとえば化石燃料 (古いもの) の放射性炭素組成は、トウモロコシの穂 (若いもの) とは大きく異なります。
ミシシッピ川の有機および無機炭素源
私たちの研究では、ミシシッピ川上流におけるこれらの形態の炭素の構成に対する生物学的プロセスの3つの主な影響を特定しました。まず、DOC には、他の形態の炭素では保存されていないさまざまな原材料からの署名があることがわかりました。さまざまな支流の疎水性有機酸含有量と安定炭素同位体組成は、流域の農業と森林の量を追跡しましたが、DOCの放射性炭素組成は、一部の支流が下水や化石燃料などの人為的廃棄物を反映していることを示しました。第 2 に、1 年のほとんどの時期において、POC は陸上植物や土壌からの物質ではなく、主に川自体で生成された有機物質に由来することがわかりました。これは、陸生有機物が受動的に下流に運ばれるだけでなく、川内で消費されることを示しています。
最後に、DIC の安定炭素同位体組成を使用して、ミシシッピ川上流に対する光合成と呼吸の正味の影響を定量化しました。本質的に、光合成と呼吸の両方が常に二酸化炭素を消費し、それを生成しています。光合成がいつでもより活発になれば、川からの二酸化炭素の正味の損失があり、逆もまた同様です。私たちは、DIC に対する物理的プロセス (二酸化炭素と大気との交換) と生物学的プロセス (光合成) の両方の影響を説明する同位体の「予算」を構築し、川が年間を通じて二酸化炭素の正味の生産者であることを発見しました。非常に大きなマージンではありません。以前の研究で川の他の部分で生成された二酸化炭素の量と比較して、私たちの結果は、ミシシッピ川上流が光合成と呼吸の間でほぼバランスが取れており、呼吸に向かってわずかにエッジがあることを示唆しています.
これは、世界中の河川生態学を理解する上で興味深い意味を持ちます。ミシシッピ川上流は、工業化以前の状態から大幅に変化しており、森林が広範囲に農地に転用され、川沿いに多数の水路ダムが建設されています。これらのダムは、川に大きな「プール」を作ります。このプールは、自由に流れる川よりも暖かく澄んでいる傾向があります。これらの条件は、例えば、光合成を促進する太陽光の浸透を大きくすることによって、生物学的活動のバランスを変える可能性があります.ミシシッピ川上流では、これらのダムが生態系を比較的呼吸しやすい環境から光合成しやすい環境に変えているようです。
ミシシッピ川だけではありません。特にヨーロッパと北アメリカの多くの重要な工業用河川は、過去数十年から数世紀にわたって、同様のダム建設と土地利用の変化を経験してきました。また、他の国々が商業と洪水調節のために河川を開発しようとしているため、今後数十年でさらに多くの水路ダムが世界中に建設される可能性があります。これらの変化は、ミシシッピ川上流で観察されたように、世界中の河川の化学組成と生態系に重大な影響を与える可能性があります。
この研究、ミシシッピ川上流域における水生炭素の同位体組成に関する生物学的および土地利用制御は、最近、Global Biogeochemical Cycles 誌に掲載されました。 .
