[논문 리뷰] Impact of Land Use on the DOM Composition in Different Seasons in a Subtropical River Flowing through the Region Undergoing Rapid Urbanization

Qi Liu, Yuan Jiang외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 07.

Marine and coastal ecosystems참고 문헌 36인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 열대 기후대의 빠르게 도시화가 진행되는 도강강에서 토양 이용 및 계절적 변동이 용해유기물(DOM) 조성에 미치는 영향을 조사한다. 형광 스펙트럼의 자극-방출 매트릭스(EEMs)와 병렬 요인 분석(PARAFAC)을 사용하여, 산림 지류에서는 퇄산 유사 DOM(C1, C2)이 풍부해지고, 도시화 지역에서는 단백질 유사 DOM(C4)이 증가함을 밝혀냈다. 자연 지류에서는 계절적 변화가 뚜렷한 반면, 도시화 지역에서는 이러한 패턴이 뒤틀려 있었다.

ABSTRACT

The dissolved organic matter (DOM) composition in river ecosystems could reflect the human impacts on the river ecosystem, and plays an important role in the carbon cycling process. We collected water and phytoplankton samples at 107 sites in the Dongjiang River in two seasons to assess the impact of the sub-catchments land use structure on the DOM composition. The results showed that (1) the forested sub-catchments had higher humic-like C1 (16.45%) and C2 (25.04%) and lower protein-like C3 (22.57%) and C4 (35.95%) than urbanized and mixed forest-agriculture sub-catchments, while the urbanized sub-catchments showed an inverse trend (4.54%, 15.51%, 33.97% and 45.98%, respectively). (2) The significant variation in the proportion of C1 and C4 between the dry and rainy seasons was recorded in both the forested and the mixed forest-agriculture sub-catchments (p<0.01), but only C4 showed an obvious seasonal variation in the urbanized sub-catchments (p<0.01). While the DOM composition was mainly related to the proportion of urbanized land and forested land year-round (p<0.01), it had stronger correlation with forested land in the dry season and urbanized land in the rainy season. (3) No significant correlation between the DOM composition and the agricultural land proportion was found in either season (p>0.05). Our findings indicated that the DOM composition was strongly dependent on the land use structure of the sub-catchments and varied seasonally, but the seasonal variation pattern could be disturbed by human activities in the extensively urbanized catchments. Notably, the higher C4 proportion compared with those in temperate rivers implied a larger amount of CO2 released from the subtropical rivers into the atmosphere when considering bioavailability.

연구 동기 및 목표

• 도강강의 열대 강에서 하천지역의 토양 이용 구조가 용해유기물(DOM) 조성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 산림, 도시화, 혼합 산림-농업 지역의 토양 이용 유형 간에 DOM 조성의 계절적 변동을 평가하기 위해.
• 건기와 우기 동안 도시화, 산림, 농업 지역 비율이 DOM 조성에 미치는 상대적 영향을 규명하기 위해.
• 도시화 지역의 인간 활동이 자연적인 계절적 패턴이 DOM 조성에 미치는 영향를 변화시키는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 건기와 우기 동안 도강강 전역의 107개 지점에서 수질 및 피토플랑크톤 샘플을 채취하였다.
• DOM 조성을 특성화하기 위해 형광 스펙트럼의 자극-방출 매트릭스(EEMs)를 사용하였다.
• 병렬 요인 분석(PARAFAC)을 적용하여 5개의 형광 성분(C1–C5)을 분리하였으며, C1과 C2는 퇄산 유사 물질을, C3과 C4는 단백질 유사 물질을 나타내었다.
• GIS 기반 공간 분석을 통해 하천지류 내 토양 이용 비율(도시화, 산림, 농업)을 정량화하였다.
• 토양 이용 비율과 DOM 성분 비율 간의 상관관계를 평가하기 위해 통계 분석(p < 0.01)을 수행하였다.
• 반복 측정 분산분석(ANOVA)을 사용하여 다양한 토양 이용 유형 간의 계절적 차이를 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 산림, 도시화, 혼합 산림-농업 지역의 토양 이용 구조가 도강강의 퇄산 유사 및 단백질 유사 DOM 성분 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 건기와 우기 조건이 서로 다른 토양 이용 유형을 가진 지류에서 DOM 조성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 도시화, 산림, 농업 지역 비율이 각기 다른 계절에 DOM 조성 변동성에 기여하는 상대적 기여도는 얼마인가?
• RQ4 도시화 지역의 인간 활동이 자연적인 계절적 패턴이 DOM 조성에 미치는 영향를 얼마나 깊이로 뒤흔들 수 있는가?

주요 결과

• 산림 지류는 도시화 및 혼합 지류보다 퇴비 유사 성분 C1(16.45%)과 C2(25.04%) 비율이 유의하게 높고, 단백질 유사 성분 C3(22.57%)와 C4(35.95%) 비율이 낮았다.
• 도시화 지류는 반대로 C1(4.54%)과 C2(15.51%) 비율이 감소하고, C3(33.97%)와 C4(45.98%) 비율이 증가하였다.
• 산림 및 혼합 산림-농업 지류에서는 C1과 C4 비율에 유의미한 계절적 변동이 관찰되었으며(p < 0.01), 도시화 지류에서는 오직 C4만이 유의미한 계절적 변화를 보였다.
• DOM 조성은 건기에는 산림 지역 비율과 강하게 상관관계가 있었고, 우기에는 도시화 지역 비율과 강하게 상관관계가 있었다(p < 0.01), 이는 주요 영향 요인이 계절에 따라 변화함을 시사한다.
• 어느 계절에서도 농업 지역 비율과 DOM 조성 간에 유의미한 상관관계가 없었다(p > 0.05).
• 온난한 기후대 강에서 관찰된 높은 C4 비율은, DOM의 생물학적 이용 가능성 증가로 인해 더 높은 CO2 방출 잠재력이 있음을 시사한다.