Future climate change may affect the hydro-thermal and biogeochemical characteristics of dam reservoirs, the most important water resources in Korea. Thus, scientific projection of the impact of climate change on the reservoir environment, factoring uncertainties, is crucial for sustainable water use. The purpose of this study was to predict the future water temperature and stratification structure of the Soyanggang Reservoir in response to a total of 42 scenarios, combining two climate scenarios, seven GCM models, one surface runoff model, and three wind scenarios of hydrodynamic model, and to quantify the uncertainty of each modeling step and scenario. Although there are differences depending on the scenarios, the annual reservoir water temperature tended to rise steadily. In the RCP 4.5 and 8.5 scenarios, the upper water temperature is expected to rise by 0.029 ℃ (±0.012)/year and 0.048 ℃ (±0.014)/year, respectively. These rise rates are correspond to 88.1 % and 85.7 % of the air temperature rise rate. Meanwhile, the lower water temperature is expected to rise by 0.016 ℃ (±0.009)/year and 0.027 ℃ (±0.010)/year, respectively, which is approximately 48.6 % and 46.3 % of the air temperature rise rate. Additionally, as the water temperatures rises, the stratification strength of the reservoir is expected to be stronger, and the number of days when the temperature difference between the upper and lower layers exceeds 5 ℃ increases in the future. As a result of uncertainty quantification, the uncertainty of the GCM models showed the highest contribution with 55.8 %, followed by 30.8 % RCP scenario, and 12.8 % W2 model.
Proceedings of the National Institute of Ecology of the Republic of Korea
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v.1
no.1
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pp.58-67
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2020
Terrestrial ecosystems influence climate change via their climate regulation function, which is manifested within the carbon, water, and energy circulation between the atmosphere and surface. However, it has been challenging to quantify the climate regulation of terrestrial ecosystems and identify its regional distribution, which provides useful information for establishing regional climate-mitigation plans as well as facilitates better understanding of the interactions between the climate and land processes. In this study, a land surface model (LSM) that represents the land-atmosphere interactions and plant phenological variations was introduced to assess the contributions of terrestrial ecosystems to atmospheric warming or cooling effects over East Asia over the last half century. Three main climate-regulating components were simulated: net radiation flux, carbon exchange, and moisture flux at the surface. Then, the contribution of each component to the atmospheric warming or cooling (negative or positive feedback to the atmosphere, respectively) was investigated. The results showed that the terrestrial ecosystem over the Siberian region has shown a relatively large increase in positive feedback due to the enhancement of biogeochemical processes, indicating an offset effect to delay global warming. Meanwhile, the Gobi Desert shows different regional variations: increase in positive feedback in its southern part but increase in negative one in its eastern part, which implies the eastward movements of desert areas. As such, even though the LSM has limitations, this model approach to quantify the climate regulation is useful to extract the relevant characteristics in its spatio-temporal variations.
A mathematical model was developed to understand how the presence of plants affects vertical profiles of electron acceptors, their reduced species, and trace metals in the wetland sediments. The model accounted for biodegradation of organic matter utilizing sequential electron acceptors and subsequent chemical reactions using stoichiometric relationship. These biogeochemical reactions were affected by the combined effects of oxygen release and evapotranspiration driven by wetland plants. The measured data showed that $SO_4{^{2-}}$ concentrations increased at the beginning of the growing season and then gradually decreased. Based on the measured data, it was hypothesized that the limitation of the solid phase sulfide in direct contact with the roots may result in the gradual decrease of $SO_4{^{2-}}$ concentrations. With the dynamic formulation for the limitation of the solid phase sulfide, model simulated time variable sulfate profiles using published model parameters. Oxygen release from roots produced divalent metal species (i.e. $Cd^{2+}$) as well as oxidized sulfur species (i.e. $SO_4{^{2-}}$) in the sediment pore water. Evapotranspiration-induced advection increased flux of divalent metal species from the overlying water column into the rhizosphere. The increased divalent metal species were converted to the metal sulfide with sufficient FeS around the rhizosphere, which contributed to the decrease of bioavailability and toxicity of divalent metal activity in the pore water. Since the divalent metal activity is a good predictor of the metal bioavailability, this model with a proper simulation of solid phase sulfide plays an essential role to predict the dynamics of trace metals in the wetland sediments.
To assess community structure and diversity of archaea, a clone sequencing analysis based on an archaeal 16S rRNA gene was conducted at three sediment depths of the continental slope and Ulleung Basin in the East Sea. A total of 311 and 342 clones were sequenced at the slope and basin sites, respectively. Marine Group I, which is known as the ammonia oxidizers, appeared to predominate in the surface sediment of both sites (97.3% at slope, 88.5% at basin). In the anoxic subsurface sediment of the slope and basin, the predominant archaeal group differed noticeably. Marine Benthic Group B dominated in the subsurface sediment of the slope. Marine Benthic Group D and Miscellaneous Crenarchaeotal Group were the second largest archaeal group at 8-9 cm and 18-19 cm depth, respectively. Marine Benthic Group C of Crenarchaeota occupied the highest proportion by accounting for more than 60% of total clones in the subsurface sediments of the basin site. While archaeal groups that use metal oxide as an electron acceptor were relatively more abundant at the basin sites with manganese (Mn) oxide-enriched surface sediment, archaeal groups related to the sulfur cycle were more abundant in the sulfidogenic sediments of the slope. Overall results indicate that archaeal communities in the Ulleung Basin show clear spatial variation with depth and sites according to geochemical properties the sediment. Archaeal communities also seem to play a significant role in the biogeochemical carbon (C), nitrogen (N), sulfur (S), and metal cycles at each site.
To understand the initial changes in the microbial activities of wetland soil after construction, dehydrogenase activity (DHA) and denitrification potential (DNP) of soil from 1 natural wetland and 2 newly constructed wetlands were monitored. Soil samples were collected from the Daepyung marsh as a natural wetland, a treatment wetland in the West Nakdong River, and an experimental wetland in the Pukyong National University, Busan. The results showed that the DHA of the natural wetland soil was 6.1 times higher than that of the experimental wetland and similar to that of the treatment wetland 6 months after wetland construction (fall). Few differences were observed in the DNP between the soil samples from the natural wetland and 2 constructed wetlands four months after wetland construction (summer). However, 6 months after the construction (fall), the DNP of the soil samples from the natural wetland was 12.9 times and 1.8 times higher than that of the experimental wetland and the treatment wetland, respectively. These results suggested that the presence of organic matter as a carbon source in the wetland soil affects the DHA of wetland soil. Seasonal variation of wetland environment, acclimation time under anaerobic or anoxic wetland conditions, and the presence of carbon source also affect the DNP of the wetland soil. The results imply that the newly constructed wetland requires some period of time for having the better contaminant removal performance through biogeochemical processes. Therefore, those microbial activities and related indicators could be considered for wetland management such as operation and performance monitoring of wetlands.
Sediment bacterial communities are critical to the biogeochemical cycle in river ecosystems, but our understanding of the relationship between sediment bacterial communities and their specific input streams in rivers remains insufficient. In this study, we analyzed the sediment bacterial community structure in a local river receiving discharge of urban domestic sewage by applying Illumina MiSeq high-throughput sequencing. The results showed that the bacterial communities of sediments samples of different pollution types had similar dominant phyla, mainly Proteobacteria, Actinobacteria, Chloroflexi and Firmicutes, but their relative abundances were different. Moreover, there were great differences at the genus level. For example, the genus Bacillus showed statistically significant differences in the hotel site. The clustering of bacterial communities at various sites and the dominant families (i.e., Nocardioidaceae, and Sphingomonadaceae) observed in the residential quarter differed from other sites. This result suggested that environmentally induced species sorting greatly influenced the sediment bacterial community composition. The bacterial co-occurrence patterns showed that the river bacteria had a nonrandom modular structure. Microbial taxonomy from the same module had strong ecological links (such as the nitrogenium cycle and degradation of organic pollutants). Additionally, PICRUSt metabolic inference analysis showed the most important function of river bacterial communities under the influence of different types of domestic sewage was metabolism (e.g., genes related to xenobiotic degradation predominated in residential quarter samples). In general, our results emphasize that the adaptive changes and interactions in the bacterial community structure of river sediment represent responses to different exogenous pollution sources.
Microalgae are one of the major, sustaining components of ecosystem processes and are responsible for biogeochemical reactions that drive our climate changes. Despite this, many marine microalgae are poorly described and little is known of their abundance and distribution along the coastal areas of Sooyoung Bay, Busan, South Korea. The present study has been conducted from November, 2011 to August, 2009 with the objective to provide an overview of the taxonomy diversity and abundance of microalgae along the coastal areas of the Sooyoung Bay. Water samples were collected from different sites, which were located by using a GPS tracker. Chlorophyll fluorescence of the water samples were measured by using ToxY-PAM dual-channel yield analyzer. The chlorophyll fluorescence values were relatively higher during the spring and summer and even in the region near to the sea port. Similarly the abundance of microalgae was higher near the port but diversity index had lower values. The temperature and pH values were same at all the sites. However, only the temperature varied during the sampling period, with higher values during summer and lower in winter. From the preliminary results, the following class of microalgae were found; Bacillariophyceae, Dinophyceae, Silicoflagellate and Cryptophyceae. With a future ongoing work, microalgae are being isolated to establish single cell culture and for identification using light microscopic observations, photography and molecular approaches.
The importance of vegetation in studies of global climate and biogeochemical cycles is well recognized. Especially. the FPAR (fraction of photosynthetically active radiation) is one of the important parameters in ecosystem productivity and carbon budget models. Therefore, accurate estimates of vegetation parameters are increasingly important in environmental impact assessment studies. In this study, optical FPAR using the Terra MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer), SPOT VEGETATION and ECOCLIMAP data reproduced on the Korean peninsula. We applied the empirical method which is usually estimated as a linear or nonlinear function of vegetation indices. As results, we estimated the accurate expression which is 0.9039 of $R^2$ in cropland and 0.7901 of $R^2$ in forest. Finally, this study could be demonstrated to calibrate that produced FPAR while the overall pattern and random noise through the comparative analysis of FPAR on the reference data. Optimal use of input parameter on the Korean peninsula should be helping the accuracy of output as well as the improved quality of research.
It is a general trend that golf courses have been developed on mountain areas or in valleys due to economical or legal reasons in Korea. Therefore, most of golf courses have special landscape characteristics of brooks and ridge lines as well as peaks. Development of golf courses in the regions of intermediate valley significantly influences ecological factors such as biodiversity, hydrology, and biogeochemical cycles due to changes in original ecosystems of valleys, ridges, and peaks. This study developed a comprehensive framework to incorporate ecological principles and examples into the landscape planning and design process. The restoration system fur water environment may significantly minimize the ecological impacts from developing golf courses. Biotops and artificial damps have been applied to a golf course construction site in southern part of Korea, requiring a restoration of existing water ecosystem by the local EPA. The detailed drawings and water restoration plans were presented in this paper.
We reviewed literature focusing on the amounts of domestic production, distribution, and consumption of strong acids and their spill cases. In particular, we investigated the chemistry and toxicity of four strong acids classified as "accident preparedness substances," including hydrochloric, nitric, sulfuric, and hydrofluoric acid. We recommend sulfuric and hydrofluoric acid as the chemicals of priority control based on the amounts used and toxicity. An advanced prevention/response system needs to be established along with an improved human and social infrastructure to prevent and efficiently respond to chemical accidents. Understanding the behavior and transport of spilled strong acids in the soil and groundwater environments requires a multi-disciplinary approach since they go through a variety of chemical and biogeochemical reactions with complex geomedia. However, no such research has been done in this area in Korea to the best of our knowledge. We expect the results of this study to contribute as basic data to future research.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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