Nature：全球河流和溪流的甲烷排放
期刊：Nature
中文题目：全球河流和溪流的甲烷排放
英文题目：Global methane emissions from rivers and streams
作者：Gerard Rocher-Ros, Emily H. Stanley, Luke C. Loken, Nora J. Casson, Peter A. Raymond, Shaoda Liu, Giuseppe Amatulli & Ryan A. Sponseller
发表日期：2023-08-16
摘要
甲烷（CH4）是一种强效温室气体，自工业革命以来，其在大气中的浓度增加了两倍。有证据表明，全球变暖增加了淡水生态系统CH4的排放量，这为全球气候提供正反馈。然而，对于河流和溪流，CH4的排放的控制和规模仍然非常不确定。在此，我们报告了河流和溪流 CH4排放量的全球空间明确估算值，其排放量为每年 27.9 (16.7-39.7) Tg CH4，与其他淡水系统的排放量大致相当。与湖泊和湿地(EM = 0.96 eV)相比，河流CH4排放对温度依赖性不强，其平均活化能较低(EM = 0.14 eV) 。相比之下，全球排放模式的特点是在高纬度和低纬度环境中，以及人类主导的环境中的通量较大。这些模式与河流栖息地及其附近缺氧有关的土壤和气候特征相关，其中包括水文相连土壤中的大量有机物和水饱和度。我们的研究结果揭示了水陆联系在调节流水中CH4排放量方面的重要性，而甲烷排放量不仅容易受到人类直接改变的影响，而且还容易受到陆地上一些气候变化的影响。
研究背景
淡水生态系统向大气排放的 CH4占全球排放量的近一半。然而，在淡水中，河流和溪流在全球 CH4循环中的作用仍不明确，尽管目前对全球河道排放的最佳估算与生物质燃烧和水稻种植等其他重要的 CH4源的排放量相近。河流生态系统在连接陆地、海洋和大气碳库方面发挥着关键作用。河流生态系统的独特之处在于它既能在内部产生 CH4，又能从外部接收和排放邻近土壤和湿地产生的大量CH4。全球溪流和河流的CH4排放可能受到跨陆地-水边界的多种环境因素的调节。尽管河流CH4有可能成为重要的大气排放源，但目前对河流CH 4排放的综合研究突出显示了极强的时空变异性。因此，解决这些对CH4排放的驱动机制将改善我们对河流 CH4排放的预测，更好的应对气候变暖和其它全球环境变化。
研究结果
结果1：全球河流中 CH4 模式
河流和溪流中CH4浓度的全球模式突出了调节周边流域的原位生产或供应多种因素的影响，同时全球CH4扩散排放模式与浓度模式相似（图1）。
甲烷浓度在热带生物群落、北极及北方生物群落中较高，因为当大量土壤有机物与水饱和环境交织在一起，形成缺氧条件时，CH4的产生和可用性就会最大化。
河流坡度、海拔和气体传输速度等物理流域变量都会对模拟的CH4浓度产生负面影响（图2）。因为较高的坡度和气体传输速度有利于水和大气之间的气体交换，防止水生碳气体积累。海拔高度可能同样反映了山区溪流的湍急性质，但也可能意味着高海拔地区集水生产力或有机物存量的降低。
热带地区（10° S–10° N）的排放量占全球排放量的最大份额（37%），其时间模式反映了湿季和旱季之间的变化（图3）。而且，在高纬度地区也存在明显的季节性，这是因为开放的水面面积和水文连通性在冬季和夏季存在差异（图3）。而且，在任何区域环境中，向更干燥或更潮湿条件的转变都可能改变河流系统中景观尺度的甲烷产生和供应。
图 1河流和溪流中CH4的全球模式
a, b模拟年平均CH4河流和溪流中的浓度（a）和排放量（b）。数据以六角形分区汇总，每个六角形的大小随径流量的变化而变化，以便更直观地显示流水覆盖率高的区域的模式。年径流量大于1500毫米的地区有全尺寸的六边形；年径流量为500毫米的地区，六边形减少了10%；年径流小于50毫米的地区，六边形减少了50%。该模型无法应用于格陵兰岛和南极洲，它们以深灰色显示。
图 2溪流中CH4浓度的主要驱动因素
a，随机森林模型中最重要的20个变量。x轴显示所有月度模型中的中位数重要性（n=12），误差线表示标准偏差（s.d.）;请注意X轴的平方根变换。每个条形内的线是部分依赖性，表示给定特征（x轴）对预测CH4浓度的边际效应（Y轴）。b，GRiMeDB13 中某些站点类别的 CH4浓度未被纳入模型，原因是水文模型未捕捉到这些浓度，或者这些浓度是目标观测值，不能代表集水区的特性（方法）。每个类别都用颜色编码，黑点和一条线代表平均值± s.d.。
图3 CH4排放的季节性模式
左图：每月总CH4每个纬度带的排放量（10°箱），颜色代表总河面积。右图：每个纬度波段的年总排放量。在左侧面板中，y轴进行平方根变换，色阶进行对数变换。
结果2: 温度和人类的作用
温暖和寒冷地区CH4浓度和排放量的增加，与淡水系统中观察到的 CH4排放量对普遍温度依赖性明显不一致。
与湖泊、湿地和稻田相比，我们对河流特定地点的活化能EM的合成显示出明显较低的值（中位EM =0.14eV；四分位间距= -0.16~0.51）（P<0.001，Wilcoxon秩和检验；图4b），这可能是由于河流的开放性。在流域外部输入不仅占大气碳排放量的很大一部分，而且还通过陆地有机物的供应为水生代谢过程提供燃料动力。这些外部因素抑制了流域排放的严格热敏感性
人口密度也对甲烷浓度产生了积极的影响。人类影响着河流生态系统的多个方面，其中许多方面都有可能增加甲烷的产生和/或排放。例如，蓄水池可产生并向下游输出大量 CH4；农业区是细沉积物、有机碳和养分的来源，可促进内部 CH4的产生；城市化地区的污染水域通常是产生 CH4的热点地区。然而，在受废水处理厂（点源）直接影响的溪流、森林、农业沟渠、城市运河中以及受天然气开采影响的河流中，CH4浓度往往较高（图 2b）。
结果3：全球河流甲烷的排放量
我们估计每年扩散到大气中的 CH4排放量为 13.4 (10.1-16.8) Tg CH4（括号中的数值代表蒙特卡罗模拟的第10-90百分位数）。然而，在其他淡水系统中，沸腾的CH4通量通常是最大的排放途径。
河流中的扩散通量和沸腾通量的量级相同，两者呈线性关系，这种相似性表明扩散路径和沸腾路径有共同的来源或共同的驱动因素。因此，我们预计河流沸腾产生的CH4排放量每年向大气中排放14.5（6.6-22.9）Tg CH4，总计约27.9（16.7-39.7）Tg CH4，与湖泊和水库的估算值相近。
我们对 GRiMeDB 数据库的分析表明，溪流和河流的CH4排放量在全球范围内都很重要，但与其它淡水生态系统相比，其受到的影响因素却截然不同。例如，温度通常是水生CH4生成的一级控制因素，在基于过程的模型中被用作预测湿地和湖泊排放以及预测气候变化下未来排放的主要参数。相比之下，对于河流和溪流而言，来自湿地和土壤的横向CH4输入量似乎很大（图4）。因此，在常规水生生态系统边界之外运行的全球变化的间接影响似乎比直接的内部影响更能调节排放。
图4 CH4扩散排放的温度依赖性
a，水温与实测扩散CH4的关系4GRiMeDB的排放按纬度着色。实线是具有20个以上观测值的地点的线性拟合，黑色实线是所有数据的线性模型。黑色虚线表示来自ref.1.的其他水生系统的平均活化能的斜率。x轴显示参考文献之后的标准化温度，其中k是玻尔兹曼常数，T是以开尔文为单位的水温，Tc为15°C。色标显示纬度十进制度的绝对值。b，河流和其他淡水系统的表观活化能的核密度图（y轴表示观测的相对数量）——即a中线的斜率，垂直虚线显示零x截距。
研究结论
（1）河流和溪流每年的CH4排放量约27.9 Tg，与湖泊和水库排放量相似。
（2）温度不是控制河流甲烷排放的主要因素，CH4的排放量在低纬度和高纬度地区都很高，其主要取决于周围景观及其与水域的连接，因为有机物含量高、氧气含量低的地区的河流和溪流往往具有较高的甲烷浓度和排放量。
（3）人口密度也对甲烷浓度产生了显著影响，许多人为改变水生生态系统的方式，如污水处理厂、水坝、运河、沟渠和农业，都会增加水域中有机物和营养物质的含量，从而增强甲烷的产生和排放。
研究意义
该研究利用了CH4数据库，使用随机森林机器学习模型对全球 CH4 浓度进行建模，通过模型明确得出了全球河流和溪流CH4 排放估计值，并能够确定全球河流和溪流中甲烷浓度和通量的主要驱动因素，以及本研究中提出的景观和水文驱动因素背后的过程，对未来基于过程的模型会有所改进，弥补了之前模型研究的不足之处。而且，研究突出了人类活动影响流域CH4排放的潜力，为未来采取具体的措施来减少温室气体的排放提供了重要的科学依据。
文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06344-6
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文
撰稿：郭丽丽
初审：任杰
审核：杜军
终审：鲁鹏