溶解氧同位素模型改进了具有不同土地利用背景的河流生态系统的代谢状态估计

科学报告|(2022) 12:10204| https://doi.org/10.1038/s41598-022-13219-91 打开溶解氧同位素建模改进了具有不同土地利用背景的河流生态系统的代谢状态估计大卫河 Piatka1,5, Jason J. Venkiteswaran2, Bhumika Uniyal3, Robin Kaule4, Benjamin Gilfedder4 & Johannes A. C. Barth1溶解氧 (DO) 对溪流和河流中的有氧生命至关重要，主要取决于光合作用 (P)、生态系统呼吸 (R) 和大气气体交换 (G)。然而，气候和土地利用的变化逐渐破坏了作为其集水区敏感反射器的自然溪流中的代谢平衡。在快速变化的环境中，绘制基本生态系统服务图的综合方法变得越来越重要。在这项工作中，我们测试了 DO 及其稳定同位素 (18O/16O) 比率，作为了解河流生态系统状况的新工具。以此目的，在三个具有不同土地利用模式的低纬度和中纬度欧洲溪流进行了六次昼夜采样活动。 diel DO 及其稳定同位素的建模与土地利用分析相结合显示，森林地区的 P 率最低，最低为 17.9 mg m-2 h-1。由于 230 和 341 mg m-2 h-1 之间的高 R 率，六个研究地点中有五个显示出一般异养状态，P:R:G 比率在 0.1:1.1:1 和 1:1.9:1 之间。只有一个具有农业和城市影响的地点显示出 417 mg m-2 h-1 的高 P 率，P:R:G 比率为 1.9:1.5:1。所有站点之间的总 G速率在 148 和 298 mg m-2 h-1 之间变化。一般来说，代谢率取决于采样点到河源的距离、光照可用性、养分浓度以及可能与地下水的交换。所提出的建模方法引入了一种新的强大工具来研究土地利用对河流健康的影响。此类方法应纳入未来的生态监测。溪流和河流是我们大陆环境状况的最重要指标之一1.它们也是从大陆到海洋的最重要的物质运输者，并且作为景观中最低的线条，它们将水及其来自集水区的溶解成分整合在一起5.此外，河流、溪流及其河岸生态系统，包括次流带（HZ），是大陆碳和氧循环的重要反映者，由于气候和土地利用的快速环境变化，目前正在发生剧烈变化8.溶解氧 (DO) 对水生需氧生物的生存至关重要。它也是养分循环所必需的，在有机碳氧化中起着核心作用14.大多数关于河流和溪流的研究都定期测量溶解氧，而且通常具有高分辨率16.然而，溶解氧的来源和汇通常仍然未知。控制 DO 浓度的物理过程包括与大气的气体交换 (G)。生物过程包括以呼吸 (R) 作为 DO 汇和光合作用 (P) 作为源的水生生态系统代谢。这三个过程是 DO 池在每小时到季节时间尺度上的关键驱动因素19. G 与一天中的时间无关，并且始终用于驱动 DO 浓度达到大气平衡。在白天，自养生物的 P 通常会增加 DO，并可能导致水柱过饱和。另一方面，R1 地理和地球科学系，GeoZentrum Nordbayern, Friedrich-Alexander-Universit ät Erlangen-Nürnberg (FAU), Schlossgarten 5, 91054 Erlangen, Germany。 2Wilfrid Laurier 大学地理与环境研究系，75 University Avenue West, Waterloo, ON N2L 3C5, Canada。 3拜罗伊特大学生态与环境研究中心 (BayCEER) 生态服务教授，Universitaetsstr. 30, 95447 德国拜罗伊特。 4拜罗伊特大学水文系 BayCEER 湖沼研究站，德国拜罗伊特 95440。 5现地址：卡尔斯鲁厄理工学院气象与气候研究所 (IMK-IFU)，Kreuzeckbahnstr. 19, 82467 加米施-帕滕基兴，德国。电子邮件：d_piatka@yahoo.de 科学报告|(2022) 12:10204 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-13219-92图1。对溶解氧 (DO) 及其稳定 DO 同位素 (δ18ODO) 通过光合作用 (P) 和生态系统呼吸 (R) 与呼吸同位素分馏因子 (αR)、气体交换系数 (k)、稳定水同位素 (δ18Venkiteswaran 后的 OH2O) 和水温 (T)等。27.水平和垂直虚线以及空心圆圈表示 DO 饱和度为 100% 和 δ 的空气饱和水 (ASW)18ODO 为 24.6‰。椭圆线代表在一个周期过程中的典型滞后曲线。异养生物会导致不饱和，尤其是当 P 低或在夜间不存在时。当 G 率较低时，这种 DO 损失会增加。了解这些过程对于水生生态系统至关重要，最近对全球河流化学数据库 (GLORICH) 的分析表明，河流的异养状态越来越多，由于未来的全球变暖，这种状态可能会进一步恶化2.这些趋势强调了建立新的 DO 源和汇量化工具的重要性，这有助于量化水生环境的代谢状态和生态功能。这些工具可以帮助描述系统功能，并有助于早期识别 DO 源和汇项的变化。此类评估还可以减轻对河流生态系统及其生物群的有害后果19.在早期的水生代谢研究中，P:R 比率专门用于描述河流生态系统的代谢状态25.然而，最近的研究对单独使用 P:R 比率提出了质疑，并且作为一种改进的措施，鼓励将 G 作为重要的第三个参数包含在内，以制定 P:R:G 比率24.此外，更新和更复杂的研究表明，将 DO 测量与其相应的稳定同位素（δ18ODO) 作为补充参数29.在这种方法中测量 δ18ODO 值为河流生态系统的代谢评估增加了额外的信息31.例如，当观察到的溶解氧饱和度为 100% 时，它们可能表明与大气平衡。然而，对应的 δ18ODO 值可能仍低于空气饱和水 (ASW) 的预期值，值为 24.6‰31.情况就是这样，当残留的光合信号仍然影响 DO 池时24.正如 Venkiteswaran 等人所证明的那样。27并基于 Wilcock 等人的数据。35, diel DO 和 δ 的形状18ODO 曲线是不同的。这种双重方法提供了良好约束的呼吸同位素分馏因子 (αR) 和基于 diel δ 的呼吸速率18ODO 曲线。因此，结合两个参数的独立测量允许从两个不同的角度量化 diel DO 模式，并以更小的误差范围改进 P、R 和 G 速率的模型输出。控制代谢率的关键参数包括水温、水文条件以及碳和养分的光利用率19.影响溶解氧饱和度及其相应 δ 的其他具体参数18ODO值包括大气气体交换系数（k）、αR和源水稳定同位素值δ18OH2O。图 1 总结了 DO 和 δ 的 diel 曲线的相互作用18具有这些环境参数的 ODO。在本研究中，我们在 P、R 和 G 上应用了一种新的动态 DO 稳定同位素模型，简称为 PoRGy。它首先由 Venkiteswaran 等人描述。24.本研究的目的是测试新的 DO 和 δ18在三个对比鲜明的中纬度欧洲河流上使用 PoRGy 模型的 ODO 数据集。调查流位于德国境内的同一气候带。然而，它们的流域具有不同的背景地质和土地利用模式。一个相关的目标是确定上游和下游部分每个流中的 P:R:G 比率。生成的数据集可以比较每个流中的这些比率。这样的测试可以帮助判断流之间或流内的差异是否更明显。此外，我们旨在评估每个流域内不同的土地利用模式以及相关的不同养分和光照可用性如何影响河流代谢。这项研究是及时的，因为它提出了一种新的综合技术，通过结合应用 DO 浓度和稳定同位素来有效地评估流代谢。这种方法产生了良好约束的 P、R 和 G 率，用于比较河流生态系统。随着溪流和河流环境条件的迅速变化，这些工具对于早期识别环境变化溪流及其集水区至关重要。这项研究也是该技术在欧洲的首次应用，将 diel DO 同位素与土地利用模式数据相结合。方法学习网站。三个溪流 Mähringsbach (MBH)、Wiesent (WIS) 和 Moosach (MOS) 各有一个选定的上游 (A) 和下游 (B) 研究地点，位于德国南部的巴伐利亚州，具有不同的地质和土地利用背景（表 1 , 图 2a-d)。 科学报告|(2022) 12:10204 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-13219-93溪流采样点纬度（北度）经度（东度）马林斯巴赫MBH-A50.24808412.095404马林斯巴赫MBH-B50.25680112.052282维森特WIS-A49.97301911.190348维森特WIS-B49.97089611.189733穆萨赫MOS-A48.32311411.622429穆萨赫MOS-B48.34931911.656940表格1。具有各自 GPS 坐标的采样流和研究地点的概述。图 2。研究了采样点上游具有土地利用特征的河流。 (一个) 巴伐利亚州概览图，其中橙色为 Mähringsbach (MBH)、绿色为 Wiesent (WIS) 和红色为 Moosach (MOS) 三个河流的位置及其各自的集水区。子图 (b–d) 分别标记了 MOS、WIS 和 MBH 集水区的详细土地利用模式，而研究地点 A 和 B 代表上游和下游位置。该地图是使用地理信息系统 (GIS) 软件 ArcGIS Pro 版本 2.7.2 (https://www.esri.com/en-us/arcgis/products/arcgis-pro/overview) 创建的。MBH流起源于捷克共和国，在那里被称为“Üjezdsky potok”。选定的研究地点 MBH-A 位于“Rehauer Forst”森林内，靠近源区。该河流系统（MBH-B）的第二个研究地点位于MBH-A下游约5公里处（图2d）。WIS 溪流位于德国南部的弗兰肯阿尔布。岩溶岩性以方解石和白云石为主。两个选定的研究地点 WIS-A 和 WIS-B 的选择距离分别为 2.9 和分别距源头 3.3 公里（图 2c）。MOS溪流是伊萨尔河的支流，流经巴伐利亚南部的阿尔卑斯山麓。研究地点 MOS-A 和 MOS-B 是在慕尼黑和弗赖辛两个城市之间选择的。它们彼此相距约 5 公里（图 2b）。场地方法。总共进行了至少 28 小时的六次雏鸡取样活动。为了勾勒出代谢率之间最强的日间差异，所有采样活动都在夏季进行。这 科学报告|(2022) 12:10204 |https://doi.org/10.1038/s41598-022-13219-94r每条河流的上游和下游研究地点以 2 小时的时间间隔进行采样。在 MBH-A，由于上午 10:00 至 12:00 之间收集的样本丢失，采样结束时间延长至下午 4 点。如果可能的话，所有水样都通过注射器在水面以下 20 厘米深的地方收集。在样品收集注射器之前用样品水冲洗 3 次。然后通过 0.45-μm 圆盘过滤器（Minisart HighFlow PES，Sartorius AG，Germany）过滤样品。对于水的氧和氢稳定同位素（δ2HH2O 和 δ18OH2O) 样品收集在 12-mL 玻璃瓶中。样品18○/16溶解氧的 O 比率（表示为 δ18ODO) 收集在 12-mL Labco Exetainers™ (Labco Ltd. Lampeter, U.K) 中。用 20 μL 饱和 HgCl2 溶液预先毒化这些样品，以避免取样后的二次生物活性。将小瓶完全装满并立即使用带有丁基橡胶隔膜的螺帽盖住。以前的实验室内部测试表明，在应用这种采样方法时，大气 O2 的污染可以忽略不计。使用多参数仪器（WTW GmbH, Weilheim, Germany 的 Multi 3620 IDS/3430）在现场进行水温和 DO 的测量。所有探头每天至少校准一次。一次 σ 重复测量温度优于 ± 0.1 °C 和 ± 2% 的 DO。流量测量是 PoRGy 模