La modellazione degli isotopi dell'ossigeno disciolto affina le stime dello stato metabolico degli ecosistemi fluviali con diversi background di utilizzo del suolo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 10204 (2022) Citare questo articolo

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L'ossigeno disciolto (DO) è fondamentale per la vita aerobica nei corsi d'acqua e nei fiumi e dipende principalmente dalla fotosintesi (P), dalla respirazione dell'ecosistema (R) e dallo scambio di gas atmosferico (G). Tuttavia, i cambiamenti del clima e dell’uso del territorio interrompono progressivamente gli equilibri metabolici dei corsi d’acqua naturali in quanto riflettori sensibili dei loro bacini imbriferi. Metodi completi per la mappatura dei servizi ecosistemici fondamentali diventano sempre più importanti in un ambiente in rapida evoluzione. In questo lavoro abbiamo testato il DO e i suoi rapporti isotopici stabili (18O/16O) come nuovi strumenti per lo stato degli ecosistemi fluviali. A questo scopo, sono state eseguite sei campagne di campionamento diel presso tre corsi d'acqua europei di basso ordine e di media latitudine con diversi modelli di utilizzo del suolo. La modellazione del diel DO e dei suoi isotopi stabili combinata con le analisi sull'uso del suolo ha mostrato i tassi di P più bassi nei siti boschivi, con un minimo di 17,9 mg m−2 h−1. A causa degli elevati tassi di R compresi tra 230 e 341 mg m−2 h−1, cinque dei sei siti di studio hanno mostrato uno stato eterotrofico generale con rapporti P:R:G compresi tra 0,1:1,1:1 e 1:1,9:1. Solo un sito con influenze agricole e urbane ha mostrato un tasso di P elevato di 417 mg m−2 h−1 con un rapporto P:R:G di 1,9:1,5:1. Tra tutti i siti i tassi di G lordo variavano tra 148 e 298 mg m−2 h−1. In generale, i tassi metabolici dipendono dalla distanza dei luoghi di campionamento dalle sorgenti fluviali, dalla disponibilità di luce, dalle concentrazioni di nutrienti e dai possibili scambi con le acque sotterranee. L'approccio di modellizzazione presentato introduce un nuovo e potente strumento per studiare gli effetti dell'uso del suolo sulla salute dei corsi d'acqua. Tali approcci dovrebbero essere integrati nel futuro monitoraggio ecologico.

Ruscelli e fiumi sono tra gli indicatori più importanti dello stato ambientale dei nostri continenti1–4. Sono anche i più importanti trasportatori di materiale dai continenti agli oceani e, essendo i lineamenti più bassi dei paesaggi, integrano l'acqua e i suoi costituenti disciolti provenienti dai bacini idrografici5-7. Inoltre, i fiumi, i torrenti e i loro ecosistemi ripariali, inclusa la zona iporreica (HZ), sono importanti riflettori dei cicli continentali del carbonio e dell’ossigeno che stanno attualmente subendo drastici cambiamenti a causa dei rapidi cambiamenti ambientali del clima e dell’uso del territorio8–12,13.

L’ossigeno disciolto (DO) è fondamentale per la sopravvivenza della vita aerobica acquatica. È inoltre necessario per il ciclo dei nutrienti e svolge un ruolo centrale nell'ossidazione del carbonio organico14,15. La maggior parte degli studi su fiumi e torrenti misurano il DO di routine e spesso con un’elevata risoluzione16–18. Tuttavia, le fonti e i pozzi di DO spesso rimangono sconosciuti. I processi fisici che controllano le concentrazioni di DO includono lo scambio di gas (G) con l'atmosfera. I processi biologici includono il metabolismo dell'ecosistema acquatico con la respirazione (R) come deposito di DO e la fotosintesi (P) come fonte. Questi tre processi sono i fattori chiave del pool DO su scale temporali orarie e stagionali19. G è indipendente dall'ora del giorno e agisce sempre per portare le concentrazioni di DO verso l'equilibrio atmosferico. Durante il giorno il P degli autotrofi aumenta tipicamente il DO e può portare a una sovrasaturazione della colonna d'acqua. D'altra parte, R da parte degli eterotrofi può causare sottosaturazione, soprattutto quando P è basso o assente durante la notte. Tali perdite di DO aumentano quando i tassi di G sono bassi.

La comprensione di questi processi è essenziale per gli ecosistemi acquatici e recenti analisi del database GLobal RIver CHemistry (GLORICH) hanno suggerito stati dei fiumi sempre più eterotrofi, che potrebbero ulteriormente deteriorarsi a causa del futuro riscaldamento globale2,20. Tali tendenze sottolineano l’importanza di stabilire strumenti nuovi e integrali per la quantificazione delle fonti e dei pozzi di DO che possano aiutare a quantificare lo stato metabolico e il funzionamento ecologico degli ambienti acquatici. Questi strumenti possono aiutare a caratterizzare il funzionamento del sistema e possono contribuire al riconoscimento precoce dei cambiamenti nei termini di fonte e pozzo di DO. Tali valutazioni potrebbero anche consentire di mitigare le conseguenze deleterie per gli ecosistemi dei corsi d’acqua e il loro biota19,21–24.