Effects of flow intermittence on dissolved organic matter quality

Abstract

[eng] Water availability is the primary driver of dissolved organic matter (DOM) dynamics in intermittent rivers and ephemeral streams (IRES). Therefore, current research manifests the global influence of flow disruption on organic matter transport and processing, given the wide distribution of intermittent flow watercourses. However, there are still gaps of flow intermittence knowledge, forgetting the continuous and multidimensional nature of the drying disturbance. In this context, in chapter three, we determine the influence of opposite flow conditions, drought and high flow on DOM properties and how the river continuum can cushion the impact of contrary hydrology on DOM and inorganic solutes. Further, in chapter four, we study the evolution of the dry period as a “film frame”, evaluating the diminution of flow daily, especially after the flow disruption. Then, how the hydrological connectivity influences the response timing and shape of the biogeochemical variables analysed and if they are influenced by spatial position, water temperature and volume of the disconnected. Finally, in chapter five, from a multi catchment approach of IRES with a gradient of intermittence from permanent to ephemeral, we investigated how multiple drying components shape dissolved organic matter (DOM) and dissolved organic carbon (DOC). Hence, in the results in chapter three, the DOM quality changed according to hydrology. DOM under high flow conditions was more terrigenous, humified, aromatic, and degraded, and the concentration gradually increased downriver. In contrast, DOM was less degraded and more aliphatic under drought conditions. However, the hydrological variability did not impact the DOM quality uniformly along the river continuum: DOM quality is more sensitive to hydrological changes in headwaters than in downriver reaches. In chapter four, the drying period determined the disruption of the fluvial continuum with a recession of stream continuum at a rate of ~60m/d and the gradual formation of a patched system of isolated pools of different sizes. Our results showed that the time that had elapsed since isolated pool formation (CI-days) was an essential factor for understanding how drying shaped the biogeochemistry of the fluvial system. Overall, drying caused a high DOC concentration and an increase in the humic-like fluorescence signal. Additionally, solutes showed contrasting responses to hydrological disconnection. Thus, we identified three temporal responses on the variables studied: 1) some inorganic solutes reacted before the fragmentation (CI-days<0). Then, DOM optical qualitative parameters replied after the fragmentation (CI-days>0), and 3) BIX and HIX did not show significant differences throughout the dry period. Finally, in chapter five, the sampling was performed during post-drought season and the results showed changes in DOC were driven by annual drying duration, whereas multiple drying components better explained DOM quality. So, we found high DOC concentration and prevalence of terrestrial DOM sources when drying is more extended and more frequent. Furthermore, because of the time of sampling, the DOM quality of the stream reconnection described a catchment “washed” with a terrestrial DOM origin, and it is transported downriver quickly without being processed for the microbial community. The findings of this thesis reveal the role of hydrology as a main driver of DOM dynamics. In particular, the flow disruption does not induce a single biogeochemical response but rather stimulates a set of solute-specific responses that generates a complex biogeochemical mosaic in a single fluvial unit. Furthermore, the necessity of considering multiple drying elements as annual or previous to predict organic matter dynamics on IRES and highlight these systems influence on the global carbon budget.

[cat] La disponibilitat d'aigua és el principal motor de la dinàmica de la matèria orgànica dissolta (DOM) en rius intermitents i rieres efímeres (IRES). Per tant, la investigació actual manifesta la influència global de la interrupció del flux en el transport i processament de la matèria orgànica, donada l'àmplia distribució dels cursos d'aigua de flux intermitent. Tanmateix, encara hi ha llacunes en el coneixement de la intermitència de flux, oblidant la naturalesa contínua i multidimensional de la pertorbació de l'assecament. En aquest context, al capítol tres, determinem la influència de dues condicions hidrològiques oposades, la sequera i el cabal elevat, sobre les propietats de la DOM i com el continu fluvial pot esmorteir l'impacte de la hidrologia sobre la DOM i els soluts inorgànics. A més, en el capítol quatre, s'estudia l'evolució del període sec com si fos un pel·lícula: “fotograma a fotograma” avaluant diàriament la disminució del cabal, especialment després de la interrupció del flux. S’estudia també com influeix la connectivitat hidrològica en el temps de resposta i la forma de diverses variables biogeoquímiques, i si les basses desconnectades estan influenciades per la seva localització espacial, la temperatura de l'aigua i el volum d'aquestes. Finalment, en el capítol cinc, des d'un enfocament de multiconca d'IRES amb un gradient d'intermitència de permanent a efímer, vam investigar com múltiples components d'assecament condicionen la qualitat i quantitat de la DOM que és transporta després duna sequera. En els resultats del capítol tres, la qualitat del DOM va canviar en funció de la hidrologia. La DOM en condicions de cabal alt era més terrígena, humificada, aromàtica i degradada, i la concentració va augmentar gradualment riu avall. En canvi, la DOM estava menys degradada i amb més compostos alifàtics en condicions de sequera. Tanmateix, la variabilitat hidrològica no va afectar la qualitat de la DOM de manera uniforme al llarg del continu fluvial: la qualitat és més sensible als canvis hidrològics en capçalera que no pas en trams riu avall. Al capítol quatre, el període d'assecament va determinar la interrupció del continu fluvial, amb una recessió a una velocitat de ~60 m/dia, així com la formació gradual d'un sistema fragmentat de piscines aïllades de diferents mides. Els resultats van mostrar que el temps que havia transcorregut des de la formació de les piscines aïllades (dies CI) és un factor essencial per entendre com l'assecament defineix la biogeoquímica del sistema fluvial. De forma general, l'assecament va provocar una alta concentració de DOC i un augment del component húmic. A més, els soluts van mostrar diferents respostes a la desconnexió hidrològica. Així, vam identificar tres respostes temporals sobre les variables estudiades: 1) alguns soluts inorgànics van reaccionar abans de la fragmentació (CI-dies<0). Els paràmetres qualitatius òptics de la DOM van respondre després de la fragmentació (CI-dies> 0), i 3) els índexs BIX i HIX no van mostrar respostes significatives. Finalment, al capítol cinc, el mostreig es va realitzar durant la temporada posterior a la sequera i els resultats van mostrar que els canvis en el carboni orgànic dissolt (DOC) estaven determinats per la durada anual de l'assecament, mentre que diversos components d'assecament explicaven millor la qualitat de la DOM. Així doncs, vam trobar una alta concentració de DOC i prevalença de fonts de DOM terrestres quan l'assecament és més estès i més freqüent. A més, a causa del moment del mostreig, la qualitat de la DOM va reflectir un "rentat de la conca", amb una DOM d'origen terrestre, i que es transporta riu avall ràpidament sense ser processat per a la comunitat microbiana. Els resultats d'aquesta tesi revelen el paper de la hidrologia com a motor principal de la dinàmica de la DOM. En particular, la interrupció del flux no indueix una única resposta biogeoquímica sinó que estimula un conjunt de respostes específiques dels diferents soluts, la qual cosa genera un mosaic biogeoquímic complex en una única unitat fluvial. A més, es posa de manifest la necessitat de considerar múltiples elements d'assecament, com la duració i la freqüència anual o prèvia de l'assecament, per predir la dinàmica de la matèria orgànica en IRES.