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大西洋中部地域の小さな流域における水生炭素のフラックスと資源量をより正確に定量化するために、河床における土砂の膨張過程をモデル化した
Modeling sediment diagenesis processes on riverbed to better quantify aquatic carbon fluxes and stocks in a small watershed of the Mid-Atlantic region.
PMID: 32632528 PMCID: PMC7339400. DOI: 10.1186/s13021-020-00148-1.
抄録
背景:
地球規模の炭素循環のギャップを埋めるための水生プロセスの重要性は広く認識されているにもかかわらず、水生環境における炭素の流れと蓄積量のための河床プロセスの役割についての理解はまだ不十分である。ここで、我々はSWAT-Cモデルに堆積物の砂層形成と堆積物炭素（C）再懸濁モジュールを追加し、米国大西洋中部地域のTuckahoe流域（TW）における4年間の月例観測（2014年～2017年）を用いて、粒子状有機炭素（POC）と溶存有機炭素（DOC）の両方のフラックスをシミュレートするためにそれをテストした。
BACKGROUND: Despite the widely recognized importance of aquatic processes for bridging gaps in the global carbon cycle, there is still a lack of understanding of the role of riverbed processes for carbon flows and stocks in aquatic environments. Here, we added a sediment diagenesis and sediment carbon (C) resuspension module into the SWAT-C model and tested it for simulating both particulate organic C (POC) and dissolved organic C (DOC) fluxes using 4 years of monthly observations (2014-2017) in the Tuckahoe watershed (TW) in the U.S. Mid-Atlantic region.
結果:
感度解析の結果、河川ネットワークにおけるPOC沈着を制御するパラメータは、堆積物からのCの再懸濁を決定するパラメータよりも感度が高いことが示された。さらに解析を進めた結果、POCとDOCへの他土着的な寄与はそれぞれ約36.6kgChayearと46kgChayearであるのに対し、自己土着的な寄与はPOCとDOCの両方で0.72kgChayear未満であることが示された（他土着源の2%未満）。河床へのPOCの純沈着量（11.4kgChayear）は、POCの陸域投入量の約31％を保持していた。さらに、年間平均埋設量は0.34kgChayearであり、陸域のPOC投入量のわずか1％、またはPOCの純沈着量の3％を占めていた。この結果は、堆積した有機Cの約79％が堆積物中で無機C（CHとCO）に変換され、最終的には水柱に放出されていることを示している。
RESULTS: Sensitivity analyses show that parameters that regulate POC deposition in river networks are more sensitive than those that determine C resuspension from sediments. Further analyses indicate that allochthonous contributions to POC and DOC are about 36.6 and 46 kgC ha year, respectively, while autochthonous contributions are less than 0.72 kgC ha year for both POC and DOC (less than 2% of allochthonous sources). The net deposition of POC on the riverbed (i.e., 11.4 kgC ha year) retained ca. 31% of terrestrial inputs of POC. In addition, average annual buried C was 0.34 kgC ha year, accounting for only 1% of terrestrial POC inputs or 3% of net POC deposition. The results indicate that about 79% of deposited organic C was converted to inorganic C (CH and CO) in the sediment and eventually released into the overlying water column.
結論:
本研究は、流域スケールでの陸域環境から水域環境へのCフラックスの推定に関する探索的研究である。SWAT-Cモデルを用いて、高地から河川生態系へのC循環をシミュレーションし、水生環境におけるCの吸収源と吸収源を推定した。全体的に見て、この結果は、水域の炭素フラックスと資源量を正確に推定するためには、河床内の炭素循環動態を考慮することが重要であることを強調している。SWAT-C の新機能は、流域の C バランス評価においてこれらのプロセスを考慮するための有用なツールとなることが期待される。
CONCLUSION: This study serves as an exploratory study on estimation of C fluxes from terrestrial to aquatic environments at the watershed scale. We demonstrated capabilities of the SWAT-C model to simulate C cycling from uplands to riverine ecosystems and estimated C sinks and sources in aquatic environments. Overall, the results highlight the importance of including carbon cycle dynamics within the riverbed in order to accurately estimate aquatic carbon fluxes and stocks. The new capabilities of SWAT-C are expected to serve as a useful tool to account for those processes in watershed C balance assessment.