La modélisation des isotopes de l'oxygène dissous affine les estimations de l'état métabolique des écosystèmes fluviaux avec différents contextes d'utilisation des terres

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 10204 (2022) Citer cet article

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L'oxygène dissous (OD) est crucial pour la vie aérobie dans les ruisseaux et les rivières et dépend principalement de la photosynthèse (P), de la respiration de l'écosystème (R) et des échanges gazeux atmosphériques (G). Cependant, les changements climatiques et d’utilisation des terres perturbent progressivement les équilibres métaboliques des cours d’eau naturels en tant que réflecteurs sensibles de leurs bassins versants. Les méthodes globales de cartographie des services écosystémiques fondamentaux deviennent de plus en plus importantes dans un environnement en évolution rapide. Dans ce travail, nous avons testé l'OD et ses ratios d'isotopes stables (18O/16O) en tant que nouveaux outils pour l'état des écosystèmes fluviaux. À cette fin, six campagnes d'échantillonnage journalier ont été réalisées dans trois cours d'eau européens d'ordre inférieur et de latitude moyenne présentant différents modèles d'utilisation des terres. La modélisation de l'OD diurne et de ses isotopes stables, combinée aux analyses de l'utilisation des terres, a montré les taux de P les plus bas dans les sites forestiers, avec un minimum de 17,9 mg m−2 h−1. En raison de taux de R élevés compris entre 230 et 341 mg m−2 h−1, cinq sites d'étude sur six présentaient un état hétérotrophe général avec des rapports P:R:G compris entre 0,1:1,1:1 et 1:1,9:1. Un seul site soumis à des influences agricoles et urbaines a montré un taux de P élevé de 417 mg m−2 h−1 avec un rapport P:R:G de 1,9:1,5:1. Entre tous les sites, les taux de G bruts variaient entre 148 et 298 mg m−2 h−1. En général, les taux métaboliques dépendent de la distance entre les sites d'échantillonnage et les sources fluviales, de la disponibilité de la lumière, des concentrations de nutriments et des échanges possibles avec les eaux souterraines. L'approche de modélisation présentée introduit un nouvel outil puissant pour étudier les effets de l'utilisation des terres sur la santé des cours d'eau. De telles approches devraient être intégrées dans la future surveillance écologique.

Les ruisseaux et les rivières comptent parmi les indicateurs les plus importants de l’état environnemental de nos continents1–4. Ils sont également les plus importants transporteurs de matériaux des continents vers les océans et, en tant que linéaments les plus bas des paysages, ils intègrent l'eau et ses constituants dissous provenant des bassins versants5–7. En outre, les rivières, les ruisseaux et leurs écosystèmes riverains, y compris la zone hyporhéique (HZ), sont d’importants réflecteurs des cycles continentaux du carbone et de l’oxygène qui subissent actuellement des changements drastiques en raison des changements environnementaux rapides du climat et de l’utilisation des terres8-12,13.

L'oxygène dissous (OD) est essentiel à la survie de la vie aérobie aquatique. Il est également nécessaire au cycle des nutriments et joue un rôle central dans l’oxydation du carbone organique14,15. La majorité des études sur les rivières et les ruisseaux mesurent l’OD de manière routinière et souvent avec une haute résolution16-18. Cependant, les sources et les puits d’OD restent souvent inconnus. Les processus physiques qui contrôlent les concentrations d'OD incluent l'échange gazeux (G) avec l'atmosphère. Les processus biologiques comprennent le métabolisme des écosystèmes aquatiques avec la respiration (R) comme puits d'OD et la photosynthèse (P) comme source. Ces trois processus sont des moteurs clés du pool d’OD sur des échelles horaires ou saisonnières19. G est indépendant de l’heure de la journée et agit toujours pour amener les concentrations d’OD vers l’équilibre atmosphérique. Pendant la journée, le P des autotrophes augmente généralement la DO et peut conduire à une sursaturation de la colonne d'eau. En revanche, R des hétérotrophes peut provoquer une sous-saturation, notamment lorsque P est faible ou absent la nuit. Ces pertes de DO s’accentuent lorsque les taux G sont faibles.

Une compréhension de ces processus est essentielle pour les écosystèmes aquatiques et des analyses récentes de la base de données GLobal RIver CHemistry (GLORICH) suggèrent des états de plus en plus hétérotrophes des rivières, qui pourraient encore se détériorer en raison du futur réchauffement climatique2,20. De telles tendances soulignent l’importance d’établir de nouveaux outils complets de quantification des sources et des puits d’OD qui peuvent aider à quantifier l’état métabolique et le fonctionnement écologique des environnements aquatiques. Ces outils peuvent aider à caractériser le fonctionnement du système et contribuer à la reconnaissance précoce des changements dans les termes de source et de puits d’OD. De telles évaluations peuvent également permettre d’atténuer les conséquences néfastes sur les écosystèmes fluviaux et leur biote19,21-24.