Differential Temperature Responses of Greenhouse Gases Released from Riverine and Floodplain Sediments

Abstract

Lowland river systems including floodplains play an important role in the global carbon cycle by functioning as a sink or source of carbon depending on prevailing environmental conditions. As global climate change intensifies, rising air temperatures would inevitably affect rivers as well as river sediments. In order to examine temperature effects on the contribution of sediments to emissions of three major greenhouse gases (CO2, CH4, and N2O) from the lower Han River, two incubation experiments were conducted with the river bottom sediments collected near an underwater weir preventing the intrusion of seawater and the sediments of a constructed wetland on a nearby floodplain. In the first, short-term experiment, ‘river water only’ (W), ‘sediment only’ (S), and ‘sediment+water’ (S+W) samples were incubated at 4℃, 12℃, 20℃, and 28℃ for 12h. In the second experiment, wetland sediment samples were incubated at the same four temperatures for 24 days, under anaerobic, drying (aerated) or wetted (aerated) conditions to examine longer-term sediment responses to the varying availability of oxygen and moisture. In both two experiments the rate of net CO2 production generally increased with rising temperature, exhibiting stronger responses particularly when sediments were under adequate conditions of O2 and moisture (in the case of the second experiment). The net production of N2O during the first experiment was appreciable only at the S+W sample, particularly under higher incubation temperatures, implying the sediment-water interface as the primary source of N2O. In the second experiment, the temperature response of N2O was greater in the wetted treatment, but later on, the net N2O increase of the drying sediments outpaced that of the wetted samples. In the S+W samples of the first experiment the highest net increase in CH4 was observed at 12°C, with a decreasing trend with additional temperature increases. In the S samples, however, CH4 production was minimal at 12°C, but increased with subsequent temperature increases reaching the highest rate at 28℃. In the second experiment, the net CH4 production continued to increase with rising temperature with stronger responses found at the anaerobic and wetted sediments, than at the drying samples. The comparison of the two experiments implies differential temperature responses of the riverine and floodplain sediments: stronger CH4 oxidation in the riverine sediment vs. sustained CH4 production in the saturated floodplain. The differential EEMs generated from the pre- and post-incubation was measured. In the first experiment, humic-like fluorescence peaks became stronger with temperature increase, warming also resulted in intensified protein-like fluorescence peaks in the S+W samples, and the production of CO2 become stronger. In contrast to Dry samples humic-like fluorescence peaks decreased at high temperatures, wetted sediments humic-like fluorescence peaks became stronger and produced more CO2 and CH4 at low oxygen level in the second experiment. The overall results suggest that warming effects on the emissions of three GHGs from both riverine and floodplain sediments would depend on the balance between the gas production and consumption under the prevailing constrains of oxygen and water availability specific to each sediment type. ;충적지를 포함한 저지대 하천 시스템은 일반적인 환경 조건에 따라 탄소 흡수원 또는 배출원의 역할을 함으로써 지구 탄소 순환에 중요한 역할을 한다. 지구의 기후변화가 심화됨에 따라, 상승하는 대기 온도는 강 뿐만 아니라 퇴적물에도 영향을 미칠 수밖에 없다. 한강 하류에서 3대 온실가스(CO2, CH4, N2O) 배출에 대한 온도에 따른 퇴적물의 기여도에 대해 알아보기 위해 수중보 인근에서 채취한 하천 바닥 퇴적물과 그 근처에 충적지 습지 퇴적물을 이용하여 2가지 배양 실험을 수행하였다. 첫 번째 단기간 실험에서는 '하천수'(W), '퇴적물'(S), ‘물+퇴적물'(S+W) 시료를 4℃, 12℃, 20℃, 28℃에서 12시간 동안 배양하였다. 두 번째 실험에서는 습지 퇴적물 샘플을 혐기조건, 건조(호기적 조건) 그리고 습윤(호기적 조건) 조건에서 24일 동안 동일한 네 가지 온도에서 배양하여 산소와 수분의 다양한 가용성에 대한 장기 퇴적물 반응을 조사했다. 두 실험에서 순 CO2 생성 속도는 일반적으로 온도가 상승함에 따라 증가했으며, 특히 침전물에 O2와 수분이 적절한 조건 하에 있을 때 더 강한 생성반응을 보였다(두 번째 실험의 경우). 첫 번째 실험 동안 N2O의 순 생산은 특히 더 높은 배양 온도에서 58S+W 샘플에서만 볼 수 있었고, 퇴적물-물 계면이 N2O의 주요 공급원임을 암시했다. 두 번째 실험에서는 건조 조건보다 습윤 조건에서 N2O의 온도 반응이 더 컸다. 10일 이후로 건조 침전물의 순 N2O 증가가 습식 시료의 순 증가를 앞질렀다. 첫 번째 실험의 S+W 샘플에서 CH4의 가장 높은 순 생산량은 12°C에서 관찰되었으며, 추가적인 온도 상승과 함께 감소 추세를 보였다. 그러나 S 샘플에서 CH4 생산은 12°C에서 미미했지만, 28°C에서 가장 높은 생산 속도를 보였다. 두 번째 실험에서, 건조 샘플보다 혐기성 및 습윤 조건에서 온도가 상생함에 따라 더 높은 순 CH4 생산량을 보였다. 두 실험의 비교는 강과 충적지 퇴적물의 온도 반응 차이를 암시한다: 강퇴적물에서의 강한 CH4 산화 vs 포화 충적지에서의 지속적인 CH4 생성. 배양 전과 배양 후 퇴적물의 추출물에서 differential EEMs이 측정되었다. 첫 번째 실험에서는 온도 상승에 따라 부식성(humic-like) 형광 피크가 강해졌고, 온도상승로 인해 S+W 샘플에서 단백질 유사 형광(ptotein-like) 피크가 강화되었으며, CO2 생성 또한 강해졌다. 고온 환경에서 건조 샘플의 부식성(humic-like) 형광 피크가 감소한 것과 대조적으로, 습윤 조건 침전물 부식성(humic-like) 형광 피크는 강해지고 낮은 산소 수준에서 더 많은 CO2와 CH4를 생성하였다. 전반적인 결과는 하천 및 충적지 퇴적물에서 배출되는 3개의 GHGs에 대한 온난화 영향은 각 퇴적물 유형에 사용 가능한 산소 및 물의 제약 조건 하에서 가스 생산과 소비 사이의 균형에 따라 달라질 것임을 시사한다.