Τα χημικά αποτυπώματα ενός ποταμού της χρήσης γης και της οικολογίας
Τα ποτάμια μεταφέρουν ένα κοκτέιλ ουσιών, ως επί το πλείστον αόρατες με γυμνό μάτι, που αφηγείται μια ιστορία για την ιστορία του και τη γη από την οποία ρέει. Αναλύοντας τις ανεπαίσθητες διαφορές σε αυτές τις ουσίες σε μια λεκάνη απορροής, οι υδρόβιοι επιστήμονες μπορούν να αποκρυπτογραφήσουν ενδείξεις σχετικά με τις βιολογικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην ξηρά και στο ίδιο το νερό. Στη μελέτη μας για τις κεφαλές του ποταμού Μισισιπή, ξεμπερδέψαμε τις ενδείξεις αυτών των διαδικασιών για να μάθουμε ότι οι ανθρώπινες επιπτώσεις, όπως η μετατροπή της γης σε γεωργία και η κατασκευή φραγμάτων, έχουν ανεπαίσθητες επιπτώσεις στη χημεία και την οικολογία του ποταμού.
Ο ποταμός Upper Mississippi, μια λεκάνη απορροής που καλύπτει το μεγαλύτερο μέρος της Μινεσότα και μέρος του βορειοδυτικού Ουισκόνσιν, αποστραγγίζει μια ποικιλία γης. Η λεκάνη βιώνει μια μετάβαση από την κυρίως γεωργική γη στα δυτικά σε δάση και υγροτόπους στα ανατολικά. Στον ποταμό Μινεσότα που κυριαρχείται από τη γεωργία, η σημαντική διάβρωση του εδάφους προκαλεί υψηλές συγκεντρώσεις ιζημάτων και λασπώδη εμφάνιση. Σε πλήρη αντίθεση, οι εκτεταμένοι υγρότοποι του ποταμού Chippewa στο Ουισκόνσιν έχουν ως αποτέλεσμα νερό στο χρώμα του τσαγιού που δημιουργείται από διαλυμένο φυτικό υλικό.
Χημική σύνθεση των ιζημάτων του ποταμού Μισισιπή
Η μελέτη μας επικεντρώθηκε σε πολλαπλές μορφές άνθρακα που μεταφέρεται από τον ποταμό Μισισιπή, από διαλυμένο άνθρακα από φυτά και ορυκτά έως αέριο διοξείδιο του άνθρακα έως άνθρακα που μεταφέρεται από ιζήματα. Η πιο άφθονη μορφή, ο διαλυμένος ανόργανος άνθρακας (DIC), προέρχεται από τη διάλυση ορυκτών σε πετρώματα και εδάφη, καθώς και από διαλυμένο διοξείδιο του άνθρακα από την ατμόσφαιρα και διοξείδιο του άνθρακα που παράγεται από τη βιολογική αναπνοή. Η δεύτερη πιο άφθονη μορφή άνθρακα είναι ο διαλυμένος οργανικός άνθρακας (DOC), ο οποίος παράγεται από τη διάλυση οργανικού υλικού από φυτά, έδαφος, μικρόβια και πλαγκτόν. Τέλος, ο σωματιδιακός οργανικός άνθρακας (POC) είναι οργανικά υπολείμματα από εκείνες τις ίδιες πηγές που έχουν προσκολληθεί σε σωματίδια ιζήματος. Οι διαφορετικοί ρόλοι που παίζουν αυτοί οι τύποι άνθρακα στο οικοσύστημα του ποταμού οδηγούν σε ευδιάκριτες αλλαγές στη χημική τους σύνθεση με την πάροδο του χρόνου.
Η χημική σύνθεση αυτών των μορφών άνθρακα μπορεί να αλλοιωθεί από ορισμένες φυσικές και βιολογικές διεργασίες. Η μελέτη μας εξέτασε τρεις κύριες ιδιότητες του άνθρακα. Πρώτον, διαφορετικά υλικά οργανικής πηγής (όπως φυτά και βακτήρια) περιέχουν διαφορετικές αναλογίες μορίων δομικών μονάδων. Μετρώντας τις σχετικές ποσότητες αυτών των τύπων ενώσεων (μια ιδιότητα που ονομάζεται περιεκτικότητα σε υδρόφοβο οργανικό οξύ), προσδιορίσαμε ότι το DOC σε παραπόταμους που αποστραγγίζουν περισσότερες δασικές περιοχές είχε μια ξεχωριστή σύνθεση από το DOC σε παραπόταμους που αποστραγγίζουν γεωργικές εκτάσεις.
Οι άλλες δύο ιδιότητες που αναλύσαμε ήταν οι σχετικές ποσότητες διαφορετικών ισοτόπων άνθρακα σε DIC, DOC και POC. Η σταθερή σύνθεση ισοτόπων άνθρακα (δηλαδή η ποσότητα άνθρακα-13 έναντι άνθρακα-12) επηρεάζεται τόσο από το οργανικό υλικό πηγής όσο και από βιολογικές διεργασίες όπως η φωτοσύνθεση και η αναπνοή. Για παράδειγμα, η σταθερή σύνθεση ισοτόπων άνθρακα του POC μπορεί να δείξει εάν ο άνθρακας προέρχεται κυρίως από φυτά της ξηράς ή από υδρόβια φύκια. Τέλος, η σύνθεση του ραδιοάνθρακα (η ποσότητα άνθρακα-14 έναντι άνθρακα-12) καθορίζεται από την ηλικία του άνθρακα, που σημαίνει ότι ο «παλαιός» άνθρακας (όπως ορυκτά ή ορυκτά καύσιμα) φαίνεται πολύ διαφορετικός από τον «νεαρό» άνθρακα (όπως τα φυτά ). Έτσι, η σύνθεση ραδιοανθράκων, για παράδειγμα, των ορυκτών καυσίμων (παλιά) είναι πολύ διαφορετική από αυτή ενός στάχυ (νεαρό).
Πηγές οργανικού και ανόργανου άνθρακα στον ποταμό Μισισιπή
Η μελέτη μας εντόπισε τρεις κύριες επιπτώσεις των βιολογικών διεργασιών στη σύνθεση αυτών των μορφών άνθρακα στον ποταμό Άνω Μισισιπή. Πρώτον, διαπιστώσαμε ότι το DOC φέρει μια υπογραφή από διάφορα υλικά πηγής που δεν διατηρούνται στις άλλες μορφές άνθρακα. Η περιεκτικότητα σε υδρόφοβο οργανικό οξύ και οι σταθερές συνθέσεις ισοτόπων άνθρακα σε διαφορετικούς παραπόταμους παρακολούθησαν την ποσότητα της γεωργίας έναντι των δασών στις λεκάνες απορροής, ενώ η σύνθεση ραδιοανθράκων του DOC έδειξε ότι ορισμένοι παραπόταμοι αντανακλούν ανθρωπογενή απόβλητα όπως λύματα και ορυκτά καύσιμα. Δεύτερον, διαπιστώσαμε ότι τις περισσότερες φορές του έτους, το POC προέρχεται κυρίως από οργανικό υλικό που παράγεται στον ίδιο τον ποταμό, σε αντίθεση με υλικό από φυτά της γης ή το έδαφος. Αυτό δείχνει ότι το επίγειο οργανικό υλικό καταναλώνεται εντός του ποταμού, όχι απλώς μεταφέρεται παθητικά κατάντη.
Τέλος, χρησιμοποιήσαμε τη σταθερή σύνθεση ισοτόπων άνθρακα του DIC για να ποσοτικοποιήσουμε την καθαρή επίδραση της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής στον ποταμό Άνω Μισισιπή. Στην ουσία, τόσο η φωτοσύνθεση όσο και η αναπνοή καταναλώνουν συνεχώς διοξείδιο του άνθρακα και το παράγουν. Εάν η φωτοσύνθεση είναι πιο ενεργή σε οποιαδήποτε δεδομένη στιγμή, θα υπάρξει καθαρή απώλεια διοξειδίου του άνθρακα από τον ποταμό και αντίστροφα. Κατασκευάσαμε έναν «προϋπολογισμό» ισοτόπων για να υπολογίσουμε τις επιπτώσεις τόσο των φυσικών διεργασιών (ανταλλαγή διοξειδίου του άνθρακα με την ατμόσφαιρα) όσο και των βιολογικών διεργασιών (φωτοσύνθεση) στο DIC και διαπιστώσαμε ότι ο ποταμός είναι καθαρός παραγωγός διοξειδίου του άνθρακα καθ' όλη τη διάρκεια του έτους – αλλά όχι με πολύ μεγάλη διαφορά. Σε σύγκριση με την ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα που παράγεται σε άλλα μέρη του ποταμού σε προηγούμενες μελέτες, τα αποτελέσματά μας υποδηλώνουν ότι ο ποταμός Άνω Μισισιπή είναι σχεδόν ισορροπημένος μεταξύ της φωτοσύνθεσης και της αναπνοής, με ένα ελαφρύ πλεονέκτημα προς την αναπνοή.
Αυτό έχει ενδιαφέρουσες συνέπειες για την κατανόησή μας για την οικολογία των ποταμών σε όλο τον κόσμο. Ο ποταμός Άνω Μισισιπή έχει αλλάξει σημαντικά από την προβιομηχανική του κατάσταση, με την ευρεία μετατροπή των δασών σε γεωργικές εκτάσεις και την κατασκευή πολυάριθμων φραγμάτων ναυσιπλοΐας κατά μήκος της πορείας του. Αυτά τα φράγματα δημιουργούν μεγάλες «πισίνες» στον ποταμό, οι οποίες τείνουν να είναι θερμότερες και πιο καθαρές από τις ελεύθερες εκτάσεις. Αυτές οι συνθήκες μπορούν να αλλάξουν την ισορροπία της βιολογικής δραστηριότητας, για παράδειγμα επιτρέποντας μεγαλύτερη διείσδυση του ηλιακού φωτός, το οποίο προάγει τη φωτοσύνθεση. Στον Ποταμό Άνω Μισισιπή, αυτά τα φράγματα φαίνεται να μετατοπίζουν το οικοσύστημα από ένα σχετικά πιο φιλικό προς την αναπνοή περιβάλλον σε ένα πιο φιλικό προς τη φωτοσύνθεση περιβάλλον.
Ο ποταμός Μισισιπής δεν είναι μόνος. Πολλοί σημαντικοί βιομηχανικοί ποταμοί, ειδικά στην Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική, έχουν βιώσει παρόμοια κατασκευή φραγμάτων και αλλαγή χρήσης γης τις τελευταίες δεκαετίες και αιώνες. Και καθώς άλλες χώρες προσπαθούν να αναπτύξουν τα ποτάμια τους για εμπόριο και έλεγχο των πλημμυρών, πολύ περισσότερα φράγματα ναυσιπλοΐας πιθανότατα θα κατασκευαστούν σε όλο τον κόσμο τις επόμενες δεκαετίες. Αυτές οι αλλαγές μπορεί να έχουν σημαντικές επιπτώσεις στη χημική σύνθεση και την οικολογία των ποταμών παγκοσμίως, όπως παρατηρήσαμε στον Άνω Μισισιπή.
Αυτή η μελέτη, Βιολογικοί και έλεγχοι χρήσης γης σχετικά με την ισοτοπική σύνθεση του υδρόβιου άνθρακα στη λεκάνη του ποταμού του Άνω Μισισιπή, δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Global Biogeochemical Cycles .
