都市河川の水質と温室効果ガスの動態に及ぼすインフラの影響

Influence of infrastructure on water quality and greenhouse gas dynamics in urban streams.

• Rose M Smith
• Sujay S Kaushal
• Jake J Beaulieu
• Michael J Pennino
• Claire Welty

抄録

渓流や河川は、世界的に一酸化窒素（NO）、二酸化炭素（CO）、メタン（CH）の重要な発生源であり、流域管理は渓流からの温室効果ガス（GHG）排出量を変化させる可能性がある。我々は、都市インフラが下流の水質を著しく変化させ、GHG飽和度と排出量の変動に寄与しているという仮説を立てた。ボルチモア生態系研究長期生態学研究プロジェクトの2つの都市河川ネットワーク（レッドランとデッドラン）の源流域におけるガス飽和度を測定し、排出率を推定した。これらの流域に存在する雨水と衛生インフラの4つの組み合わせを特定した。(1)河川の埋設、(2)インライン雨水湿地、(3)水辺・氾濫原の保全、(4)浄化システム。これらのカテゴリーの中から2つの一次集水域を選び、GHG濃度、排出量、溶存無機・有機炭素（DICとDOC）、栄養塩濃度を1年間、隔週で測定した。水質の観点から見ると、河川水のDOC：NO比はインフラの種類によって有意に異なっていた。また、DOC：NOとその他の変数（溶存酸素、DO、総溶存窒素、TDN、水温）を含む重回帰により、河川水中の亜酸化窒素（NO、r = 0.78）、二酸化炭素（CO、r = 0.78）、メタン（CH4、r 2 = 0.50）の飽和度の統計的変動の大部分を説明することができた。NO飽和比の測定を行ったが、これは文献で報告されている河川の中で最も高い値であり、すべての地点と日付において1.1から47までの範囲であった。NO飽和比は浄化システムを有する流域で最も高く、TDNと強い相関があった。CO飽和度とNO飽和度との相関は、すべてのサイトと日付において高く、CO飽和度は1.1から73までの範囲であった。CHは常に過飽和状態にあり、飽和比は3.0から2157の範囲であった。春と秋には、源流からレッドランとデッドランの三次流出口までの縦断調査が行われた。これらのデータの線形回帰では、流域の規模が大きくなるにつれて各ガスの間に有意な負の関係が生じ、溶質（TDNまたはDOC、およびDOC：TDN比）とガス飽和度の間に一貫した関係が得られた。源流と流出口の間でガス飽和度が低下したにもかかわらず、河川は排水ネットワーク全体でGHGsで飽和したままであり、都市部の河川は継続的にCO、CH、NOの供給源となっていることが示唆された。我々の結果は、インフラの決定が下流の水質と温室効果ガスに大きな影響を与える可能性があることを示唆しており、流域管理戦略は、都市の水質と大気質への連成影響を考慮する必要があるかもしれない。

Streams and rivers are significant sources of nitrous oxide (NO), carbon dioxide (CO), and methane (CH) globally, and watershed management can alter greenhouse gas (GHG) emissions from streams. We hypothesized that urban infrastructure significantly alters downstream water quality and contributes to variability in GHG saturation and emissions. We measured gas saturation and estimated emission rates in headwaters of two urban stream networks (Red Run and Dead Run) of the Baltimore Ecosystem Study Long-Term Ecological Research project. We identified four combinations of stormwater and sanitary infrastructure present in these watersheds, including: (1) stream burial, (2) inline stormwater wetlands, (3) riparian/floodplain preservation, and (4) septic systems. We selected two first order catchments in each of these categories and measured GHG concentrations, emissions, and dissolved inorganic and organic carbon (DIC and DOC) and nutrient concentrations biweekly for 1 year. From a water quality perspective, the DOC : NO ratio of streamwater was significantly different across infrastructure categories. Multiple linear regressions including DOC : NO and other variables (dissolved oxygen, DO; total dissolved nitrogen, TDN; and temperature) explained much of the statistical variation in nitrous oxide (NO, r = 0.78), carbon dioxide (CO, r = 0.78) and methane (CH4, r 2 = 0.50) saturation in stream water. We measured NO saturation ratios, which were among the highest reported in the literature for streams, ranging from 1.1 to 47 across all sites and dates. NO saturation ratios were highest in streams draining watersheds with septic systems and strongly correlated with TDN. The CO saturation ratio was highly correlated with the NO saturation ratio across all sites and dates, and the CO saturation ratio ranged from 1.1 to 73. CH was always supersaturated, with saturation ratios ranging from 3.0 to 2157. Longitudinal surveys extending form headwaters to third-order outlets of Red Run and Dead Run took place in spring and fall. Linear regressions of these data yielded significant negative relationships between each gas with increasing watershed size as well as consistent relationships between solutes (TDN or DOC, and DOC : TDN ratio) and gas saturation. Despite a decline in gas saturation between the headwaters and stream outlet, streams remained saturated with GHGs throughout the drainage network, suggesting that urban streams are continuous sources of CO, CH, and NO. Our results suggest that infrastructure decisions can have significant effects on downstream water quality and greenhouse gases, and watershed management strategies may need to consider coupled impacts on urban water and air quality.