[論文レビュー] 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 Jiang+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2018

Marine and coastal ecosystems参考文献 36被引用数 7

ひとこと要約

本研究は、急速に都市化が進む河川である亜熱帯地域の広東江川における土地利用と季節的変化が溶解性有機物（DOM）組成に与える影響を調査する。蛍光励起発光マトリクス（EEMs）と並列要因分析（PARAFAC）を用いた分析により、森林被覆流域ではヒューマリン様DOM（C1, C2）が豊富になるのに対し、都市化された地域ではタンパク質様DOM（C4）が増加することが明らかになった。自然流域では季節的変化が顕著に見られ、都市化された地域ではそのパターンが乱れている。

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.

研究の動機と目的

• 亜熱帯河川におけるサブ basins の土地利用構造が溶解性有機物（DOM）組成に与える影響を評価すること。
• 森林被覆、都市化、森林・農業の混合地域という異なる土地利用タイプにおけるDOM組成の季節的変動を評価すること。
• 乾期と雨期における都市化、森林、農業用地の割合がDOM組成に与える相対的影響を特定すること。
• 都市化流域における人間活動が、自然のDOM組成の季節的パターンをどの程度変化させるかを調査すること。

提案手法

• 乾期と雨期に広東江川の107か所の地点で水質およびプランクトンサンプルを採取した。
• DOM組成を特徴付けるために蛍光励起発光マトリクス（EEMs）を用いた。
• 並列要因分析（PARAFAC）を適用し、5つの蛍光成分（C1–C5）を特定した。C1およびC2はヒューマリン様物質を、C3およびC4はタンパク質様物質を表した。
• GISを用いた空間解析により、サブbasin内での土地利用割合（都市化、森林、農業）を定量した。
• p < 0.01の有意水準で、土地利用割合とDOM成分割合との相関を統計的に評価した。
• 繰り返し測定分散分析（repeated-measures ANOVA）を用いて、異なる土地利用タイプにおける季節的差を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 森林被覆、都市化、森林・農業の混合地域という土地利用構造が、広東江川におけるヒューマリン様およびタンパク質様DOM成分の割合にどのように影響を与えるか。
• RQ2 乾期と雨期の条件が、異なる土地利用タイプの流域におけるDOM組成にどのように影響を与えるか。
• RQ3 都市化、森林、農業用地が、異なる季節におけるDOM組成の変動に果たす相対的寄与は何か。
• RQ4 都市化流域における人間活動が、自然のDOM組成の季節的パターンをどの程度破壊するか。

主な発見

• 森林被覆サブbasinでは、ヒューマリン様成分C1（16.45%）およびC2（25.04%）が有意に高く、タンパク質様成分C3（22.57%）およびC4（35.95%）が都市化および混合サブbasinよりも低かった。
• 都市化サブbasinでは逆の傾向を示し、C1（4.54%）およびC2（15.51%）は低く、C3（33.97%）およびC4（45.98%）は高かった。
• 森林および森林・農業の混合サブbasinでは、C1およびC4の割合に有意な季節的変化が認められた（p < 0.01）。一方、都市化サブbasinではC4のみに有意な季節的変化が観察された。
• DOM組成は乾期には森林用地の割合と強く相関し、雨期には都市化用地の割合と強く相関した（p < 0.01）。これは、主な駆動要因が季節によって変化していることを示している。
• どちらの季節においても、農業用地割合とDOM組成との間に有意な相関は認められなかった（p > 0.05）。
• 温帯の河川と比較して、亜熱帯河川のC4割合が高いため、DOMの生分解性が高いためにCO2放出の可能性がより高いと示唆された。