云南师范大学刘流团队ES&T：湖泊有氧产甲烷的亚季节性变化使得淡水湖泊的甲烷收支平衡估算极具挑战性

题目：Strong sub-seasonal variability of oxic methane production challenges methane budgeting in freshwater lakes

期刊：Environmental Science & Technology

发表时间：2024.10

主要作者：刘流; 张鑫; Sina Schorn; Tomy Doda; 康满春; Damien Bouffard; Georgiy Kirillin; Jana Milucka; 石小涛; Hans-Peter Grossart

淡水中甲烷（CH₄）的产生和排放是全球碳循环的重要组成部分。近年来研究发现富氧湖泊表层水的溶存CH₄常常出现过饱和现象，导致湖泊CH₄排放通量增加。由于传统观点认为甲烷只能由产甲烷古菌在严格厌氧条件下产生，因此这种富氧水体中的CH₄过饱和现象被称为“CH₄悖论”。而当前该悖论的一个主流解释认为，湖泊表层水的甲烷主要源自有氧条件下的原位产CH₄（OMP）过程。

针对有氧水体中产甲烷过程的机制目前存在两派观点：“外来假说”和“自产假说”。支持“外来假说”的研究认为，湖心深水区表层的甲烷过饱和现象是由湖滨带浅水区域（littoral zone）向湖心深水区（pelagic zone）横向传输扩散造成的。岸边浅水区沉积物产生的CH₄在湖流作用下不断释放，并向湖中心深水区的表层水体做横向传输扩散。支持“自产假说”的研究认为，传统观点认为的“CH₄产生于厌氧环境”的观点需要修正，最近多个研究表明，CH₄可以作为蓝藻细菌、浮游植物等在光合作用中产生的次生代谢产物之一，在有氧条件产生，尽管该产CH₄过程的完全揭示还有待后续研究，但越来越多的证据支持了这一发现。在这一背景下，多个研究采用CH₄收支质量平衡模型估算了OMP对湖泊CH₄排放的贡献度。这些研究通过定量评估湖上层水体甲烷的源（横向传输）和汇（CH₄氧化、向大气排放），采用如图1所示的质量平衡计算OMP（作为质量平衡方程的残余项）。然而，由于这些研究在CH₄横向输入通量和CH₄氧化速率方面的估算存在较大误差，因此学界针对OMP在湖泊生态系统甲烷排放中的贡献展开了几轮争锋相对的批判，其中2020年夏季在欧州召开的一次PPNW（自然水体中的物理过程研讨会）的线上会议，作为本文通讯作者之一的Hans-Peter Grossart教授代表OMP学派与康斯坦茨大学的Frank Peeters教授（认为OMP微不足道）进行公开辩论。

为回应学界对湖泊水体中OMP对CH₄排放是否重要这一激烈争论，我们的研究选取德国柏林北部的深水湖Stechlin湖（最大水深68 m）作为研究区，采用CH₄质量平衡模型估算OMP在2019-2020两年的季节性变化，通过三维水动力模型Delft-3D详细估算甲烷侧向传输通量，并结合高时空精度的CH₄表层扩散通量和CH₄氧化速率观测结果，将甲烷产生、氧化、传输和排放等过程全面考虑，系统分析CH₄的季节性和 CH₄ 横向迁移通量的复杂潜在驱动过程。研究结果本研究受德国自然科学基金、国家自然科学基金和云南省自然科学基金等的资助。研究成果证明，OMP对湖泊CH₄的排放不仅重要，还具有极大的亚季节性波动，研究进一步指出忽略这一时间异质性可能对湖泊OMP的估算带来极大不确定性。

图 2 2019-2020年间Stechlin湖的水温、溶解氧、CH₄扩散通量和溶解CH₄浓度。图中分别为水温(a)、CH₄扩散通量(b)、溶解氧(c)和溶解CH₄浓度(d)，在进行全湖调查的八个日期以实线头标记的方式在(a)和(b)中显示，根据k600经验模型估计的Fs在(d)中显示，该模型计算结果是基于全湖表层水体的高空间分辨率溶存CH₄数据（>20000个数据点）。

图3为CH₄氧化速率与湖泊温度的季节性变化。结果显示CH₄氧化速率的变化随着湖泊热力分层的发展而变化。湖泊深处的CH₄氧化速率比表层水中（15米左右）的氧化速率高1-2个数量级（如图3 b-h所示），而表层0-15 m水深之间，深度与CH₄氧化速率没有表现出相关性。

图3 湖泊温度垂直廓线(a)与CH₄氧化速率(b-g)的季节性变化。两者取样于湖泊68 m深站点，其中蓝色点为CH₄溶存浓度，黑色点为溶氧值，红色点为实测CH₄氧化速率。

图4展示了溶存CH₄浓度沿湖滨带向湖中心深水区的分布月变化。其分布呈现从湖岸浅水区到湖中深水区指数下降趋势（图4a）。随着湖面温度的季节性变化（图4a），5-8月湖岸浅水区溶存CH₄浓度上升，随后下降，表明溶存CH₄浓度随湖深呈指数衰减，这与湖岸浅水区沉积物中厌氧产CH₄的热敏感性基本吻合。呈现的浓度梯度也表明，湖滨带是湖中心区中上层水域CH₄的重要来源，因此需要对横向CH₄迁移通量（FL）进行准确量化。

图4 2019年Stechlin湖溶存CH₄浓度在湖滨带至湖泊中心点空间分布的月值变化。采样断面和距离为右下角示意图，黄色虚线表示CH₄ 溶存浓度与湖泊中心点至湖滨带距离的回归方程。

图5为根据CH₄收支平衡模型计算的有氧产甲烷（OMP）和有氧产CH₄贡献率（OMC）。结果显示，湖中心上层水CH4的源和汇呈现较大的季节性变化，且其模式具有可重复性，且湖中CH₄的汇（表面扩散FS和CH4氧化MOx）呈解耦模型。CH₄氧化过程是从8月份呈现一定的波动，并且在11月之前一直保持低水平，而表面扩散通量FS呈现剧烈波动。通过水动力模型模拟的侧向输入通量FL得知，5月份时的侧向通量相对较低（12.51-28.84 nM d^-1），6-7月份在 22.09-98.63 nM d^-1之间波动，在8月达到峰值（8月下旬的最高值为 139.80 nM d^-1）。作为质量平衡模型残差项计算的有氧产生CH₄变化率随时间变化很大，其中较大的两个值分别为5月底（483.21.nM d^-1）和8月初（360.60.nM d^-1），而有氧产生CH₄的波动变化，尤其是高值主要受表面扩散的FS波动控制.

图5 2019-2020 年期间有氧CH₄生成（OMP）和有氧CH₄贡献率（OMC）。紫色线条表示 Delft-3D 模型模拟的横向输入（FL）。红线和蓝线代表双周观测日的CH₄（氧化）MOx 和FS。

通过对Stechlin 连续两年高时间分辨的CH₄氧化速率、湖表扩散通量的观测以及环湖巡航测得的表层水体溶存CH₄浓度，为CH₄质量平衡建立了良好的数据基础，但我们的研究也发现：1）描述CH₄横向扩散通量FL的关键因子横向扩散系数（Kx）的估算存在很大的不确定性；2）横向传输通量（FL）存在明显的季节性变化。质量平衡中两个“汇”项表面扩散FS和甲烷氧化量MOx都存在一定不确定性，尤其是表面扩散项FS，存在日尺度和季节尺度两个方面的不确定性。OMP的日内变化剧烈主要是由于表面扩散项FS和侧向传输项FL，这也导致全湖CH₄平衡计算的不确定。然而在季节尺度上，利用CH₄质量模型的净值估算有氧产生CH₄量仍然呈现出很强的季节性变化，这可能与湖泊初级生产力的动态有一定联系。

虽然前人的研究已尝试定量分析湖中心区表层水体CH₄累积的源和汇，但CH₄氧化速率、表层扩散通量和横向传输通量的估算均存在很大的不确定性，这导致OMP在湖泊生态系统中究竟是否重要成为一个极具争议性的话题，因此亟需进一步详细评估。在本研究中，我们三维水动力模型以及详实的观测数据来重新评估OMP对富氧层CH₄溶存浓度过饱和的重要性后，发现CH₄氧化速率与OMP的比值呈现强烈波动变化（4.0-240.6%），这也突出表明了OMP在日内尺度到季节尺度上的巨大变化，其中，CH₄的表面扩散通量的季节变化和日变化的复合变化是造成OMP估计值变化巨大的主要原因。这也更说明，湖泊CH₄平衡收支必须考虑季节性变化。

对于没有明显冒泡通量的湖泊来说，如Lake Stechlin，OMP是湖表层CH₄累积的一个重要但可变的来源，也是向大气排放的主要来源。但通过评定CH₄质量平衡中各个分量的不确定后，我们建议应谨慎采用质量平衡模型方法估算淡水湖OMP，建议采用更高时空精度的观测数据：如采用最佳时间分辨率（每小时到每天），测量或模拟 FS 和 FL 这两个主要分量：考虑到CH₄扩散通量的空间异质性，还需要在空间尺度内多布置自动通量浮箱，以减少FS评估时的不确定性。另外，为更好地测量 FL，在直接水动力测量的基础上，还需结合自动原位CH₄溶存测量数据，开展更多的水动力建模工作。此外，更多的OMP直接测量数据可作为质量平衡模型的有效补充，用以排除与质量平衡模型相关的不确定性。综上所示，质量平衡各组成成分的动态变化是未来研究的重点，以更精确的评估各项组分对CH₄排放的贡献率，并有望以此依据评估全球范围内湖泊CH₄排放量。