Assessing Organic Pollution Impacts on Riverine Greenhouse Gas Emissions across South and East Asia

Abstract

전 세계적으로 내륙수는 이산화탄소(CO2)및 기타 온실가스(GHGs)의 중요한 공급원으로 인식되어 왔다. 남아시아와 동아시아 전역에 걸쳐 연구가 부족한 내륙수 연구는 전세계 강(river) 탄소(C) 저장량의 사각 지대를 나타내며, 인위적 교란이 증가하면 강 CO2 배출(emission)량 추정치에 대한 불확실성도 증가한다. 이 연구는 세 가지 접근 방식을 결합하여 남아시아 아대륙 강과 동아시아의 강에서의 유기 탄소 플럭스(Organic C fluxes)와 CO2 및 다른 온실가스(GHGs)인 CH4 와 N2O의 농도와 배출에 대한 인간의 영향을 평가하였다. 세가지 접근 방식은 (1) 갠지스강 유역의 CO2 (pCO2), CH4 및 N2O 분압의 현장 측정; (2) 아대륙과 동아시아 강 유역에서 수집 가능한 수질 데이터로부터 pCO2 계산; 그리고 (3) BOD 기반 경험적 접근법을 사용하여 생화학적 산소 요구량 (BOD)으로부터 용존 유기 탄소 (DOC)의 농도와 두 가지 주요 GHGs (CO2 및 CH4) 농도를 추정; 하는 것이다. 인도 갠지스강의 도시 지류에서 측정된 pCO2와 대도시 지역 방류수가 유입되는 갠지스강 중부 지역에서 측정된 pCO2는 20,000 µatm을 초과했다. 이는 북부 강 상류의 평균 pCO2의 40배다. 인도 고다바리강은 폐수가 유입되는 하류에서의 pCO2 값이 28,588 µatm에 도달했으며, 이는 데칸 트랩(Deccan Traps) 상류의 평균 pCO2보다 7배 더 높았다. pCO2 값은 용존 산소와 유의미한 음의 상관관계를 보였지만 북부 강의 N 또는 P 농도와는 양의 상관관계를 나타냈다. 현장 측정 및 문헌 조사에서의 pCO2 데이터와 3개의 가스 이동 속도 추정치를 결합하여 분석한 결과 인도의 강에서의 CO2 배출량은 이전 추정치인 7.5 ~ 61.2 Tg CO2 · yr– 보다 더 높은 범위인 145.8 ~ 191.5 Tg CO2 · yr–1 이었다. 아시아 5개 강 (갠지스강, 메콩강, 황하, 양쯔강, 한강)에서의 계산된 pCO2 (calculated pCO2) 및 측정된 pCO2 (measured pCO2) 값은 몬순 기간 동안 특히 낮은 pH 범위에서 큰 불일치를 나타냈다. 그러나 한강의 불일치는 건기에도 분명했다. pH와 계산된(calculated)pCO2, pH와 계산된 pCO2에서 측정된 pCO2를 뺀 값(calculated – measured pCO2) 사이에는 음의 상관관계가 있었으며 계산된(calculated)pCO2, DOC와 TA의 경우에도 음의 상관관계를 보였다. DOC와 계산된(calculated) pCO2, 계산된 pCO2에서 측정된 pCO2를 뺀 값(calculated – measured pCO2) 사이에는 양의 상관관계가 있었고 계산된(calculated) pCO2와 TA도 마찬가지다. pCO2의 잠재적 과대 평가를 피하기 위해 다음과 같이 수정 방안을 권장한다. (1) 낮은 pH 값 (몬순의 경우 pH <6.5, 건기의 경우 pH <6.3)에서 계산된 (calculated)pCO2 값을 사용한다. (2) 측정된(measured)pCO2와 환경 변수 사이에 미리 설정된 회귀식을 사용하면 특히 pH 및 기타 조건의 큰 변화가 예상되는 몬순 시즌 동안 과대 평가된 pCO2 값을 수정할 수 있다. 폐수를 기반으로 한 CH4 및 N2O 배출량 추정치는 2007년부터 2016년까지 남아시아 및 동남아시아 국가에서 크게 증가했다. 갠지스강과 한강을 가로질러 측정된 BOD와 두 GHGs (CO2 및 CH4) 농도 간의 중요한 상관관계는 과거 BOD 데이터로부터 GHGs 농도를 예측하는데 사용되며 특히 최근에 폐수가 방류되는 지류에서 GHGs 농도가 크게 증가했음을 알 수 있다. 최근 현장 측정 및 문헌 조사에서 공간적으로 분석된 pCO2 데이터는 인도 아대륙의 강 CO2 배출량에 대한 신뢰할 수 있는 범위의 추정치를 제공하고, 이는 전세계 내륙수의 CO2 배출량 추정 값에 대한 불확실성을 줄이는 데 크게 기여할 수 있다. 몬순과 건기 사이의 낮은 pH 값을 가진 시스템에서 pCO2 값의 과대 평가가 관찰되어 계산된(calculated)pCO2에 의존하는 지역 및 전세계의 강 탄소(C) 저장량 예측에 불확실성을 초래한다. 남아시아 및 동남아시아의 오염된 하천 시스템에서 강 유기탄소 플럭스 및 GHGs 농도의 BOD 기반의 추정치 산출은 지역 및 세계 강 탄소 저장량 추정을 위해 필수적인 더 많은 분석 데이터를 제공할 수 있다. 갠지스강과 고다바리강 유역의 현장 측정은 대도시 지역에서 제대로 처리되지 않은 폐수를 통해 불안정한 유기물이 많이 유입되는 강이 CO2 배출의 핫스팟 역할을 한다는 것을 나타낸다. 아시아 전역에 낮은 pH 값은 몬순 및 건기 동안 계산된(calculated)pCO2 값과 측정된(measured) pCO2 값 사이의 큰 편차의 원인이다. 따라서 이를 통하여 GHGs 농도의 BOD 기반 추정 값은 폐수 기반 IPCC 접근 방식을 개선할 수 있다. 결론적으로 세 가지 접근법의 조합으로 증가하는 수질 오염에 따른 강 유기물질(OM), CO2 및 기타 GHGs(CH4 와 N2O)의 농도 변화와 연구가 부족한, 도시화된 강에서의 배출을 적절히 설명할 수 있음을 시사한다.;Globally inland waters have been recognized as an important source of carbon dioxide (CO2) and other greenhouse gases (GHGs). Understudied rivers across South and East Asia represent blind spots of the global riverine carbon (C) budget, and increasing anthropogenic perturbations increase the uncertainty on estimates of riverine CO2 emissions. This study assessed the human impacts on riverine organic C fluxes and concentrations and emissions of CO2 and other GHGs (CH4 and N2O) in the subcontinental rivers across South Asia and rivers in East Asia by combining three approaches. Three approaches are based on (1) in-situ measurements of the partial pressure of CO2 (pCO2), CH4, and N2O in the Ganges basin; (2) calculations of pCO2 from available water quality data from the subcontinental and East Asian River basins; and (3) estimates of riverine concentrations of dissolved organic C (DOC) and the two major GHGs (CO2 and CH4) concentrations from biochemical oxygen demand (BOD) using a BOD-based empirical approach. The measured pCO2 in the Ganges exceeded 20,000 µatm in some urban tributaries and middle reaches of the Ganges that drain metropolitan areas, which was 40 times the mean pCO2 in the headwaters of the northern rivers. In the Godavari, the pCO2 levels reached 28,588 µatm in the lower reach receiving wastewater, which was seven times higher than the mean pCO2 in the headwaters of the Deccan Traps. The pCO2 values exhibited significant negative relationships with dissolved oxygen but a positive relationship with N or P concentrations for the northern rivers. Spatially resolved pCO2 data from the field measurements and literature surveys, combined with three gas transfer velocity estimates, provided a higher range of riverine CO2 emissions (145.8–191.5 Tg CO2·yr–1) from the Indian subcontinent than the previous estimates (7.5–61.2 Tg CO2·yr–1). The calculated and measured pCO2 values across the five Asian rivers (the Ganges, Mekong, Yellow, Yangtze, and Han River) showed large discrepancies during the monsoon period, notably at the low pH range; however, the mismatches in the Han River were also evident during the dry period. There were negative correlations between pH, calculated pCO2, and calculated minus measured pCO2, as well as calculated pCO2, DOC, and TA and positive correlations between DOC, calculated pCO2, and calculated minus measured pCO2, as well as calculated pCO2 and TA between monsoon and dry seasons. To avoid potential overestimations of pCO2, we recommend a cautions and corrective measures including (1) report the pCO2 values calculated from low pH values (pH<6.5 for monsoon and pH<6.3 for dry season) to warn potential overestimations; (2) the use of preestablished regressions between measured pCO2 and environmental variables can correct the overestimated pCO2 values, particularly during monsoon seasons when large changes in pH and other conditions are expected. Wastewater-based estimations of CH4 and N2O emissions increased significantly from 2007 to 2016 in the South and Southeast Asian countries. The significant relationships between the measured BOD and two GHGs (CO2 and CH4) concentrations across the Ganges and Han River basins were used to estimate GHG concentrations from historical BOD data, uncovering significant recent increases in GHG concentrations, especially in the river reaches receiving wastewater-loaded tributaries. Spatially resolved pCO2 data from the recent field measurements and literature surveys provided a reliable range of estimates of riverine CO2 emissions from the Indian subcontinent, which can contribute to reducing the large uncertainty on global inland waters CO2 estimates. The overestimations of pCO2 values were observed in the systems with low pH values between monsoon and dry seasons, resulting uncertain estimations of regional and global riverine C budgets dependent on calculated pCO2. BOD-based estimates of riverine organic C fluxes and GHG concentrations in the polluted river systems of South and Southeast Asia can provide spatially more resolved data that are essential for the regional and global riverine C budgets. The field measurements in the Ganges and Godavari basins indicated that river reaches receiving large inputs of labile organic matter via poorly treated wastewater from metropolitan areas act as the hotspots of riverine CO2 emissions. Across Asia, low pH values are mainly responsible for large discrepancies between calculated and measured pCO2 values during the monsoon and dry seasons. BOD-based estimates of GHG concentrations can refine wastewater-based IPCC approaches. The overall results suggest that the combination of three approaches can adequately capture the increasing water pollution and resulting changes in riverine OM and CO2 and other GHG (CH4 and N2O) concentrations and emissions from the understudied urbanized rivers.