Ảnh hưởng của cấu trúc địa chất lưu vực đối với ngân sách carbon vô cơ hòa tan trong các dòng suối ngoại ô Baltimore, Maryland, trong thời gian mưa ít

Springer Science and Business Media LLC - Tập 24 - Trang 85-96 - 2019
Germán Mora1, Lenna Blaser1
1Environmental Studies Program, Goucher College, Baltimore, USA

Tóm tắt

Quá trình đô thị hóa có khả năng ảnh hưởng đến xuất khẩu carbon từ các dòng sông, nhưng chỉ có một số ít nghiên cứu đánh giá tác động tiềm tàng của cấu trúc địa chất đối với lưu lượng carbon trong các môi trường đô thị. Để giải quyết khoảng trống này, bốn dòng suối cấp một trong khu vực đô thị Baltimore được xem xét với các mức độ bề mặt không thấm nước và cấu trúc địa chất lưu vực khác nhau trong khoảng thời gian mười tuần trong điều kiện lượng mưa thấp, nhằm xác định các nguồn và độ lớn của carbon vô cơ được các dòng suối này vận chuyển trong điều kiện dòng chảy cơ bản. Các thông số như lưu lượng, độ kiềm, pH, nhiệt độ và oxy hòa tan được đo tại chỗ, trong khi thành phần đồng vị carbon của carbon vô cơ hòa tan (DIC) được xác định trong phòng thí nghiệm. Độ phong phú của DIC và pCO2 được ước tính từ dữ liệu thu thập được, cho thấy rằng dòng suối có độ che phủ rừng cao hơn và lưu vực có đá vôi thường xuyên có giá trị cao nhất cho DIC, pCO2, độ kiềm và tỷ lệ đồng vị ổn định. Năng suất DIC của bốn dòng suối được nghiên cứu là tương đối thấp, dao động từ 2,6 đến 21,8 mmol C/m2-yr, và tỷ lệ thoát pCO2 được tính toán là một trong những giá trị thấp nhất được ghi nhận ở các vùng ôn đới và boreal, dao động từ 184 đến 6451 g C/ngày. Các giá trị thấp này có thể là do lượng mưa thấp trong thời gian thu mẫu, điều này đã hạn chế cả việc chuyển giao DIC từ đất đến các dòng suối được nghiên cứu và sự phát thải CO2 vào bầu khí quyển sau đó. Dữ liệu đồng vị ổn định có tương quan tuyến tính với DIC, và mối quan hệ này có thể phản ánh sự điều chỉnh của cấu trúc địa chất đối với carbon vô cơ trong các dòng suối được nghiên cứu, với nguồn DIC giàu 13C có thể đại diện cho sự hòa tan của đá biến chất có chứa canxi và một phần đóng góp từ CO2 hô hấp của đất, trong khi nguồn DIC nghèo 13C được diễn giải là do đóng góp chủ yếu từ CO2 hô hấp của đất. Vì vậy, kết quả của chúng tôi chỉ ra tác động chi phối của cấu trúc địa chất lưu vực trong việc điều tiết ngân sách DIC của các dòng suối ngoại ô được nghiên cứu trong điều kiện lưu lượng thấp.

Từ khóa

#carbon vô cơ hòa tan #dòng suối #đô thị hóa #cấu trúc địa chất #ngân sách DIC

Tài liệu tham khảo

Arnold, Jr., C.L., and Gibbons, C.J., 1996, Impervious surface coverage: the emergence of a key environmental indicator. Journal of the American planning Association, 62, 243–258. Aucour, A.M., Sheppard, S.M.F., Guyomar, O., and Wattelet J., 1999, Use of 13C to trace origin and cycling of inorganic carbon in the Rhône river system. Chemical Geology, 159, 87–105. Aufdenkampe, A.K., Mayorga, E., Raymond, P.A., Melack, J.M., Doney, S.C., and Alin, S.R., 2011, Riverine coupling of biogeochemical cycles between land, oceans, and atmosphere. Frontiers in Ecology and the Environment, 9, 53–60. Baker, A., Cumberland, S., and Hudson, N., 2008, Dissolved and total organic and inorganic carbon in some British rivers. Area, 40, 117–127. Barnes, R.T. and Raymond, P.A., 2009, The contribution of urban and agricultural activities to inorganic carbon fluxes in Southern New England. Chemical Geology, 266, 327–336. Barth, J.A.C., Cronin, A.A., Dunlop, J., and Kalin, R.M., 2003, Influence of carbonates on the riverine carbon cycle in an anthropogenically dominated catchment basin: evidence from major elements and stable carbon isotopes in the Lagan River (N. Ireland). Chemical Geology, 200, 203–216. Battin, T.J., Kaplan, L.A., Findlay, S., Hopkinson, C.S., Marti, E., Packman, A.I., Newbold, J.D., and Sabater, F., 2008, Biophysical controls on organic carbon fluxes in fluvial networks. Nature Geoscience, 1, 95–100. Box, G.E. and Jenkins, G.M., 1976, Time Series Analysis: Forecasting and Control. Holden-Day, San Francisco, 575 p. Buhl, D., Neuser, R.D., Richter, D.K., Riedel, D., Roberts, B., Strauss, H., and Veizer, J., 1991, Nature and nurture: environmental isotope story of the river Rhine. Naturwissenschaften, 78, 337–346. Butman, D. and Raymond, P.A., 2011, Significant efflux of carbon dioxide from streams and rivers in the United States. Nature Geoscience, 4, 839–844. Cerling, T.E., Solomon, D.K., Quade, J., and Bowman, J.R., 1991, On the isotopic composition of carbon in soil carbon dioxide. Geochemica et Cosmochimica Acta, 55, 3403–3405. Clark, I.D. and Fritz, P., 1997, Environmental Isotopes in Hydrogeology. CRC Press/Lewis Publishers, Boca Raton, 328 p. Cole, J.J., Prairie, Y.T., Caraco, N.F., McDowell, W.H., Tranvik, L.J., Striegl, R.G., Duarte, C.M., Kortelainen, P., Downing, J.A., Middelburg, J.J., and Melack, J., 2007, Plumbing the global carbon cycle: integrating inland waters into the terrestrial carbon budget. Ecosystems, 10, 172–185. Das, A., Krishnaswami, S., and Bhattacharya, S.K., 2005, Carbon isotope ratio of dissolved inorganic carbon (DIC) in rivers draining the Deccan Traps, India: sources of DIC and their magnitudes. Earth and Planetary Science Letters, 236, 419–429. Doctor, D.H., Kendall, C., Sebestyen, S.D., Shanley, J.B., Ohte, N., and Boyer, E.W., 2008, Carbon isotope fractionation of dissolved inorganic carbon (DIC) due to outgassing of carbon dioxide from a headwater stream. Hydrological Processes, 22, 2410–2423. Dubois, K.D., Lee, D., and Veizer, J., 2010, Isotopic constraints on alkalinity, dissolved organic carbon, and atmospheric carbon dioxide fluxes in the Mississippi River. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 115, G02018. https://doi.org/10.1029/2009JG001102 Finlay, J.C., 2003, Controls of streamwater dissolved inorganic carbon dynamics in a forested watershed. Biogeochemistry, 62, 231–252. Fisher, G.W., 1978, The metamorphose sedimentary rocks along the Potomac River near Washington, D.C. In: Fisher, G.W., Pettijohn, F.J., Reed, J.C., and Weaver, K.N. (eds.), Studies of Appalachian Geology: Central and Southern. Interscience Publishers, New York, p. 299–316. Golladay, S.W. and Battle, J.B., 2002, Effects of flooding and drought on water quality in Gulf Coastal Plain streams in Georgia. Journal of Environmental Quality, 31, 1266–1272. Hélie, J-.F., Hillaire-Marcel, C., and Rondeau, B., 2002, Seasonal changes in the sources and fluxes of dissolved inorganic carbon through the St. Lawrence River–isotopic and chemical constraint. Chemical Geology, 186, 117–138. Horton, T., 1989, Bay Country: Reflections on the Chesapeake. Ticknor & Fields, New York, 221 p. Interlandi, S.J. and Crockett, C.S., 2003, Recent water quality trends in the Schuylkill River, Pennsylvania, USA: a preliminary assessment of the relative influence of climate, river discharge and suburban development. Water Research, 37, 1737–1748. Jones, J.B., Stanley, E.H., and Mulholland, P.J., 2003, Long-term decline in carbon dioxide supersaturation in rivers across the contiguous United States. Geophysical Research Letters, 30, 1495. https://doi.org/10.1029/2003GL017056 Jonsson, A., Algesten, G., Bergström, A.K., Bishop, K., Sobek, S., Tranvik, L.J., and Jansson, M., 2007, Integrating aquatic carbon fluxes in a boreal catchment carbon budget. Journal of Hydrology, 334, 141–150. Kanduč, T., Szramek, T., Ogrinc, N., and Walter, L.M., 2007, Origin and cycling of riverine inorganic carbon in the Sava River watershed (Slovenia) inferred from major solutes and stable carbon isotopes. Biogeochemistry, 86, 137–154. Kaye, J.P., Burke, I.C., Mosier, A.R., and Guerschman, J.P., 2004, Methane and nitrous oxide fluxes from urban soils to the atmosphere. Ecological Applications, 14, 975–981. Kaye, J.P., McCulley, R.L., and Burke, I.C., 2005, Carbon fluxes, nitrogen cycling, and soil microbial communities in adjacent urban, native and agricultural ecosystems. Global Change Biology, 11, 575–587. King, R.S., Baker, M.E., Whigham, D.F., Weller, D.E., Jordan, T.E., Kazyak, P.F., and Hurd, M.K., 2005, Spatial considerations for linking watershed land cover to ecological indicators in streams. Ecological Applications, 15, 137–153. Klein, R.D., 1979, Urbanization and stream quality impairment. Journal of the American Water Resources Association, 15, 948–963. Kling, G.W., Kipphut, G.W., Miller, M.M., and O’Brien, W.J., 2000, Integration of lakes and streams in a landscape perspective: the importance of material processing on spatial patterns and temporal coherence. Freshwater Biology, 43, 477–497. Lee, K.S., Ryu, J.S., Ahn, K.H., Chang, H.W., and Lee, D., 2007, Factors controlling carbon isotope ratios of dissolved inorganic carbon in two major tributaries of the Han River, Korea. Hydrological Processes, 21, 500–509. Levin, M.J., 1998, Soil Survey of City of Baltimore, Maryland. Natural Resource Conservation Service, Washington, 212 p. Lewis, E., Wallace, D., and Allison, L.J., 1998, Program developed for CO2 system calculations (No. ORNL/CDIAC-105). Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge National Lab, Oak Ridge, 21 p. Li, X. and Liu, W., 2011, Effect of preservation on the δ13C value of dissolved inorganic carbon in different types of water samples. Isotopes Environmental Health Studies, 47, 379–389. Markewitz, D., Davidson, E.A., Figueiredo, R.D.O., Victoria, R.L., and Krusche, A.V., 2001, Control of cation concentrations in stream waters by surface soil processes in an Amazonian watershed. Nature, 410, 802–805. Meybeck, M., 1987, Global chemical weathering of surficial rocks estimated from river dissolved loads. American Journal of Science, 287, 401–428. Mook, W.G., Bommerson, J.C., and Staverman, W.H., 1974, Carbon isotope fractionation between dissolved bicarbonate and gaseous carbon dioxide. Earth and Planetary Science Letters, 22, 169–176. Muller, P.D., 1991, Geologic map of the Hampstead Quadrangle, Maryland, USA (1:24,000). Maryland Geological Survey, Baltimore, 2 p. Muller, P.D. and Chapin, D.A., 1984, Tectonic evolution of the Baltimore Gneiss anticlines, Maryland. In: Bartholomew, M.J. (ed.), The Grenville Event in the Appalachians and Related Topics. Geological Society of America, Special Paper, 194, p. 127–148. O’Leary, M.H., 1988, Carbon isotopes in photosynthesis. Bioscience, 38, 328–336. Oh, N-H. and Raymond, P.A., 2006, Contribution of agricultural liming to riverine bicarbonate export and CO2 sequestration in the Ohio River basin. Global Biogeochemical Cycles, 20. https://doi.org/10.1029/2005GB002565 Papamichail, D.M., Antonopoulos, V.Z., and Georgiou, P., 2000, Stochastic models for Strymon river flow and water quality parameters. Protection and Restoration of the Environment, 1, 219–226. Pataki, D.E., Bowling, D.R., Ehleringer, J.R., and Zobitz, J.M., 2006, High resolution atmospheric monitoring of urban carbon dioxide sources. Geophysical Research Letters, 33. https://doi.org/10.1029/2005GL024822 Pouyat, R., Groffman, P., Yesilonis, I., and Hernandez, L., 2002, Soil carbon pools and fluxes in urban ecosystems. Environmental Pollution, 116, S107–S118. Raymond P.A. and Cole, J.J., 2003, Increase in the export of alkalinity from North America’s largest river. Science, 301, 88–91. Reybold, W.U. and Matthews, E.D., 1976, Soil survey of Baltimore County, Maryland. US Department of Agriculture, Washington, 149 p. Richey, J.E., 2004, Pathways of atmospheric CO2 through fluvial systems. In: Field, C.B. and Raupach, M.R. (eds.), The Global Carbon Cycle: Integrating Humans, Climate, and the Natural World. Island Press, Washington, p. 329–340. Salvadore, E., Bronders, J., and Batelaan, O., 2015, Hydrological modelling of urbanized catchments: a review and future directions. Journal of Hydrology, 529, 62–81. Savva, Y., Szlavecz, K., Pouyat, R.V., Groffman, P.M., and Heisler, G., 2010, Effects of land use and vegetation cover on soil temperature in an urban ecosystem. Soil Science Society of America Journal, 74, 469–480. Schneider, D.W., 1996, Effects of European settlement and land use on regional patterns of similarity among Chesapeake forests. Bulletin of the Torrey Botanical Club, 123, 223–239. Schulte, P., Van Geldern, R., Freitag, H., Karim, A., Négrel, P., Petelet-Giraud, E., Probst, A., Probst, J.L., Telmer, K., Veizer, J., and Barth, J.A., 2011, Applications of stable water and carbon isotopes in watershed research: weathering, carbon cycling, and water balances. Earth-Science Reviews, 109, 20–31. Shin, W.J., Chung, G.S., Lee, D., and Lee, K.S., 2011, Dissolved inorganic carbon export from carbonate and silicate catchments estimated from carbonate chemistry and δ13C DIC. Hydrology and Earth System Sciences, 15, 2551–2560. Stumm, W. and Morgan, J.J., 1981, Aquatic Chemistry: An Introduction Emphasizing Chemical Equilibria in Natural Waters (2nd edition). Wiley, New York, 583 p. Suchet, P.A., Probst, J-L., and Ludwig, W., 2003, Worldwide distribution of continental rock lithology: implications for the atmospheric/soil CO2 uptake for continental weathering and alkalinity river transport to the oceans. Global Biogeochemical Cycles, 17, 1038. https://doi.org/10.1029/2002GB001891 Telmer, K. and Veizer, J., 1999, Carbon fluxes, pCO2 and substrate weathering in a large northern river basin, Canada: carbon isotope perspectives. Chemical Geology, 159, 61–86. Teodoru, C.R., del Giogio, P.A., Prairie, Y.T., and Camire, M., 2009, Patterns in pCO2 in boreal streams and rivers of northern Quebec, Canada. Global Biogeochemical Cycles, 23. https://doi.org/10.1029/2008GB003404 Tobias, C.R. and Böhlke, J.K., 2011, Biological and geochemical controls on diel inorganic carbon cycling in a low-order agricultural stream: implications for reach scales and beyond. Chemical Geology, 283, 18–30. Vogel, J.C., 1993, Variability of carbon isotope fractionation during photosynthesis. In: Ehleringer, J.R., Hall, A.E., and Farquhar, G.D. (eds.), Stable Isotopes and Plant Carbon-Water Relations. Academic Press, San Diego, p. 29–46. Voudouris, K., Georgiou, P., Stiakakis, E., and Monopolis, D., 2010, Comparative analysis of stochastic models for simulation of discharge and chloride concentration in Almyros Karstic Spring in Greece. Proceedings of the 14th Annual Conference of the International Association of Mathematical Geosciences, Budapest, Aug. 29–Sep. 2, 15 p. Wallin, M.B., Grabs, T., Buffam, I., Laudon, H., Ågren, A., Æquist, M.G., and Bishop, K., 2013, Evasion of CO2 from streams–The dominant component of the carbon export through the aquatic conduit in a boreal landscape. Global Change Biology, 19, 785–797. Yang, C., Telmer, K., and Veizer, J., 1996, Chemical dynamics of the St. Lawrence’ riverine system: δDH2O, δ18OH2O, δ13CDIC, δ34Ssulfate, and dissolved 87Sr/86Sr. Geochimica et Cosmochimica Acta, 60, 851–866. Yao, G., Gao, Q., Wang, Z., Huang, X., He, T., Zhang, Y., Jiao, S., and Ding, J., 2007, Dynamics of CO2 partial pressure and CO2 outgassing in the lower reaches of the Xijiang River, a subtropical monsoon river in China. Science of the Total Environment, 376, 255–266. Yurekli, K. and Ozturk, F., 2003, Stochastic modeling of annual maximum and minimum streamflow of Kelkit Stream. Water International, 28, 433–441. Zeebe, R.E. and Caldeira, K., 2008, Close mass balance of long-term carbon fluxes from ice-core CO2 and ocean chemistry records. Nature Geoscience, 1, 312–315. Zhai, W.D., Dai, M.H., and Guo, X.G., 2007, Carbonate system and CO2 degassing fluxes in the inner estuary of Changjiang (Yangtze) River, China. Marine Chemistry, 107, 342–356. Zhang. J., Quay, P.D., and Wilbur, D.O., 1995, Carbon isotope fractionation during gas-water exchange and dissolution of CO2. Geochimica et Cosmochimica Acta, 59, 107–114.