La segregazione e il bloccaggio del fondo aumentano lo stoccaggio di particelle naturali e sintetiche nei fiumi

Nature Communications volume 12, numero articolo: 7315 (2021) Citare questo articolo

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Sebbene il significato ecologico dello scambio iporreico e del trasporto di particelle fini nei fiumi sia ben consolidato, questi processi sono generalmente considerati irrilevanti per la morfodinamica degli alvei fluviali. Mostriamo che l'accoppiamento tra lo scambio iporeico, la deposizione di sedimenti sospesi e il movimento del letto di sabbia modula fortemente la morfodinamica e ordina i sedimenti del letto. Lo scambio iporeico concentra la deposizione di particelle fini all'interno e al di sotto delle forme del letto mobile, sopprimendo la mobilità del letto. Tuttavia, le parti fini depositate vengono anche rimobilizzate dal movimento del letto, fornendo un meccanismo per separare le particelle grossolane e fini nel letto. Sorprendentemente, dall’interazione competitiva tra stabilizzazione e rimobilizzazione del letto emergono due distinti stati finali: uno stato bloccato in cui la deposizione di particelle fini stabilizza completamente il letto, e un equilibrio dinamico in cui frequenti rimobilizzazioni smistano il letto e ripristinano la mobilità. Questi risultati dimostrano il significato dello scambio iporreico per la morfodinamica del letto del fiume e chiariscono come le interazioni dinamiche tra particelle grossolane e fini producono modelli sedimentari comunemente presenti nei fiumi.

I fiumi trasportano sia materiale disciolto che particolato dai continenti agli oceani. Il particolato terrestre svolge un ruolo chiave nella strutturazione dei canali fluviali alluvionali1, nel mantenimento delle coste deltizie2 e nel sostegno degli ecosistemi acquatici3,4. La materia organica particellare viene trattenuta nei letti dei fiumi e nelle pianure alluvionali5, sepolta nei clinoformi deltizi6 e immagazzinata nei sedimenti marini7,8. Di conseguenza, le dinamiche interne del sistema fluviale regolano il metabolismo del carbonio, producendo un efflusso annuale di 5,1 Pg di carbonio dai fiumi all’atmosfera e rilasciando 0,9 Pg9 di carbonio di origine terrestre agli oceani5,8,10,11,12. Lo sviluppo del territorio e l’agricoltura hanno sostanzialmente aumentato l’erosione del suolo e l’apporto di particolato nei fiumi13. L'eccessivo accumulo di queste particelle fini nei sedimenti (insabbiamento, immersione) è una delle principali cause di deterioramento degli ecosistemi acquatici odierni14,15. Questi impatti sono notevolmente esacerbati quando le particelle sono esse stesse tossiche (ad esempio, sterili di miniere metalliche)16. Allo stesso tempo, grandi quantità di plastica sono state introdotte nei sistemi acquatici, producendo un numero straordinario di piccole particelle, frammenti e fibre – collettivamente chiamati microplastiche – che vengono trasportate e si accumulano all’interno dei sistemi fluviali17,18. I tempi di stoccaggio di tali particelle sintetiche e le loro conseguenze a lungo termine per gli ecosistemi acquatici sono attualmente sconosciuti.

Le particelle terrestri, acquatiche e antropogeniche sono soggette a un'ampia gamma di condizioni durante il trasporto dalle sorgenti dei fiumi agli ecosistemi costieri, comprese le variazioni della luce solare e dell'ossigeno nella colonna d'acqua, l'abrasione fisica, i forti gradienti redox e il diverso metabolismo microbico nel letto del fiume19,20 ,21. La materia organica disciolta e particellare viene trasformata sia nel corso d'acqua che all'interno della zona iporreica, la regione altamente bioattiva del letto del fiume dove l'acqua del fiume si mescola con le acque sotterranee19. Lo scambio iporreico facilita il metabolismo microbico fornendo ossigeno, carbonio e sostanze nutritive alle comunità microbiche bentoniche e iporreiche19. La velocità e l'entità dello scambio iporreico sono controllate dal flusso del fiume, dalla morfologia del canale e dalla permeabilità del letto del fiume. Tuttavia, il flusso iporreico e i tempi di stoccaggio non sono stati incorporati nei modelli numerici e concettuali per la dinamica della materia organica particellare o delle microplastiche nei fiumi22,23,24,25.

Ad oggi, la deposizione di particelle fini (diametro < 50 \(\mu {{{{{\rm{m}}}}}}\)) e leggere (peso specifico ~1) inorganiche, organiche e sintetiche nei letti dei fiumi è stata osservata non sono stati considerati perché si presume generalmente che rimangano sospesi nella colonna d'acqua a causa delle basse velocità di sedimentazione26. Sebbene i primi studi abbiano indicato che le particelle fini e/o leggere possono avere un impatto sulla morfodinamica del letto27 e che sia noto che le particelle fini modulano le proprietà dei fluidi28, si presume comunemente che interagiscano solo in minima parte con i letti dei fiumi29. È sempre più diffusa la consapevolezza che le particelle fini possono avere un impatto sulla morfodinamica del fondo, poiché studi recenti hanno dimostrato che le particelle fini possono modificare la pendenza del letto30 e interagire con i sedimenti del letto come parte del carico del fondo31,32. Inoltre, le particelle fini sospese vengono trasportate negli alvei dei fiumi per scambio iporreico e si accumulano nel sottosuolo33,34,35,36.

relative to sand alone ) decreased linearly with the stabilization ratio (Fig. 2b). Stabilization of mobile sediment beds solely by deposition of fine particles from the water column has not previously been quantified. These findings indicate that fine-particle deposition and remobilization episodically regulate the morphodynamics of sand-bed rivers./p> 0), deposited clay is frequently remobilized from within bedforms, and long-term deposition only occurs in a horizontal layer below the active region of bed sediment transport. For this case, we observed a peak in clay accumulation at the location of the most frequent (modal) scour depth (Fig. 3a). This can be considered the result of a stochastic process in which passage of a random series of bedforms induces both downward motion of suspended particles along hyporheic flow paths and remobilization of deposited particles though scour. This remobilization can be considered a type of winnowing process removing fine particles from the sediment bed. However, repeated passage of bedforms moves clay particles deeper into the bed, and ultimately into regions from which they are not remobilized44. The resulting clay accumulation layer is horizontal because it is formed by the passage of many bedforms, which longitudinally homogenizes the effects of hyporheic exchange processes45. Conversely, when stabilization dominates, there is extensive deposition of clay within each bedform and the resulting strong local stabilization slows and ultimately stops bed sediment motion. For the locked case, we observed that clay accumulation decreased monotonically with depth in the bed (Fig. 3b), as expected for a process driven by flux of sediment particle from the water column46,47./p>