文献总结 | Nature Sustainability：城市河流污染导致全球温室气体排放量上升

文摘 2024-09-06 17:30 北京

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研究背景

RESEARCH BACKGROUND

当前有超过56%的人口分布在城市区域，预计到2050年将增长至70%。此外在全球范围内，不足1%的城市面积产生了近80%的GDP、78%的能源消耗和70%的人为温室气体(GHG)排放。因此，减少城市温室气体排放是城市可持续发展和减少气候变化的核心战略。

城市河流是城市绿蓝基础建设的核心设计组成部分，在城市水力调节、扩散和点源污染以及城市热岛效应导致城市河流的物理、化学和生物条件的退化，进而扰乱城市河流物质循环。虽然有研究表明城市河流排放的温室气体的速率和温室气体组成发生变化，但是如何将城市河流温室气体排放的局部变化外推到更广泛的地理尺度？城市河流温室气体排放变化的重要性和控制措施是什么？这些问题仍然没有答案，突出了这一领域的巨大知识差距。

在此基础上，本研究提出了全球城市河流温室气体综合测定制图，涵盖了世界城市气候和社会经济数据(Fig. 1a-d)。研究首先利用文献总结当前温室气体变化的模式，随后分析城市河流温室气体浓度与通量和其他环境变量的关系，最后利用基于机器学习的预测模型将结果外推至全球范围。

结果与讨论

1. 城市河流中温室气体浓度和通量

城市河流中测定的CH₄、CO₂和N₂O浓度分别为0.01-311 μmol/L、0.1-4251μmol/L、0.3-4827 μmol/L (Fig. 1e，Table. S1)。虽然量级跨度大，但是城市河流三种温室气体的浓度均超过了94%，相对于大气平衡处于过饱和状态，这表明城市河流是三种温室气体的源。根据全球河流甲烷数据库，城市河流GHG浓度中位数是非城市河流的1.3-5倍，也是之前全球河流模型的1.4-3.3倍，并且这些模型通常没有进行河流类型的区分(Table. S2)。

来自GRiMeDB的城市河流CH₄和N₂O通量的中位数是非城市河流的4.2-4.7倍，同时也是之前估算的全球河流的1.4-41倍，这表明城市河流的CH₄和N₂O排放显著增加。同样来自城市与非城市河流河网测定表明来自城市河流的CH₄和N₂O通量增加，但是CO₂不同，研究获取的数据集表明CO₂中位数略低于GRiMeDB的非城市河流(Fig. 1f，Table. S1)。CO₂浓度(Fig. 1e)和通量(Fig. 1f)的相反趋势表明，与CH₄和N₂O相比，CO₂变化趋势存在更大的不确定性，并且难以区分城市与非城市河流的CO₂排放。研究将这种部分增加的状态归因于城市河流中野外水生植被光合作用和二氧化碳光合作用吸收增加。而CH₄和N₂O的增加可能与城市地区的营养物质输入和污染物输入相关。城市河流的溶解有机碳和营养物浓度显著高于非城市河流((p < 0.001)，Fig. 1g)，此外，受未经处理的城市废水或雨水导致过量有机物输入以及富营养化驱动的藻华将导致河流缺氧加剧，进而促进城市河流中CH₄和N₂O的产生。

2. 城市河流温室气体驱动因素分析

研究利用标准线性回归方法(Fig. 2)讨论了城市河流温室气体测量值与12个流域气候、物理、陆地生物圈和社会经济变量之间的关系。上述变量是对每个测量城市河段的整个上游流域的河段水平进行计算的。研究发现流域面积与所有三种温室气体浓度和通量成负相关关系，这表明流入城市的小型河流的温室气体浓度和通量高于仅流经城市的大型河流(Fig. 2)。虽然该模式在全球尺度河网分析中并不清晰，但是这与研究所理解的河网等级性质相同，小型嵌入式城市河流通常承受最高的人类活动影响。

研究统计的城市河流流域的社会经济因素是城市河流温室气体排放的最重要的预测因子(Fig. 2)。除了CO₂ (在城市河流中没有显著升高)，流域人口、人口密度和GDP与CH₄和N₂O呈现正相关关系，这表明人口密集的大型城市河流的CH₄和N₂O排放小于较小的城市。但是流域人均GDP对CH₄和N₂O的影响为负(Fig. 2a、d、f)。另外，考虑到排放对城市河流污染负荷的高敏感性，并且早期研究表明城市河流污染负荷在人均GDP最高时减少，因此，本研究认为在人觉GDP较高的城市，CH₄和N₂O排放与城市严格的环境法规和污水处理之间存在联系。

除了上述因素外，流域的物理性质和城市河流温室气体排放呈现负相关(Fig. 2)。例如三种温室气体浓度与流域海拔高度呈负相关，CH₄和CO₂与流域坡度呈负相关(Fig. 2a-b)。研究结果指出，高海拔或者陡峭地形的城市河流温室气体浓度和通量较低，这与全球河流研究结果相似。另外，温度与CH₄和CO₂呈现正相关，与N₂O呈现负相关，这表明在气候温暖的城市河流中N₂O浓度较低(Extended Data Fig. 2)。

研究认为虽然陆地生态系统的生产力或呼吸作用支持城市河流中较高的CH₄和CO₂排放，但是另一方面也促进了流域陆地植被或者土壤更多的氮保留，这抑制了地表径流导向的氮城市河流运输，导致在陆地生产力高的地区，城市河流的N₂O浓度较低。

3. 城市河流温室气体浓度和通量的全球分布

城市河流温室气体浓度和通量利用RF回归算法对12个变量进行建模(Fig. 2)，结果表明该模型对三种温室气体的预测精度较高(R² = 0.60-0.72)。变量重要性分析结果表明，若减少一个变量将导致模型均方误差增加3-21%，这表明每一种变量在解释城市河流温室气体浓度和通量和空间分布都很重要。从全球来看，印度、东南亚、中国南部、美洲东部和热带地区的城市河流CH₄和CO₂浓度和通量较高(Fig. 3a-b、d-e)。除上述地区外，欧洲、中国、非洲和南美城市的城市河流N₂O浓度和通量也较高(Fig. 3c，f)。N₂O和两种碳基温室气体在地理分布上的细微差异与气候和陆地生物圈对两种不同类型温室气体的不同控制相吻合(Fig. 2)。

本研究在这里强调了城市河流温室气体浓度和通量变化的两个维度。第一层是地理层面。城市河流温室气体浓度和通量沿地球主要气候带呈现系统地变化。研究发现在全球范围内，即使存在强烈的人为干扰，城市河流温室气体排放也受到气候和陆地生物圈的强烈影响。第二层是社会经济维度。城市河流温室气体排放与国民收入水平呈现复杂的关系(Fig. 3)。本研究发现中低收入国家城市的严重污染和显著增加的排放率对全球河流温室气体排放的影响较大，但是在更严格的污染控制和城市河流水质改善后，高收入国家排放显著减少。

4. 城市河流的全球温室气体排放

研究估算全球城市河流在100年时间内分别排放了1.1±0.1 Tg CH₄每年、42.3±1.3 Tg CO₂每年和0.02±0.001 Tg N₂O每年(Fig. 4)。在全球范围内城市河流温室气体排放量约有6个数量级，并且在中高收入国家城市在全球城市河流温室气体排放中占比最大(41.7%，Fig. 4b)。这是由于其在收入群体中占世界城市河流面积占比最大(50.4%)。从地理上看，亚洲城市在全球城市河流温室气体排放中占比最高(66.1%，Fig. 4c)。

此外，研究分析确定了城市河流与全球河流之间温室气体排放的对比(Fig. 4d)。与全球河流相比，CH₄和N₂O在城市河流温室气体所占比例要更高，这与城市河流CH₄和N₂O排放量大幅增加的情况一致(Fig. 1e-f)，但是CO₂占比要低。这表明，虽然城市河流仅占全球河流面积的0.8%左右，但是与CO₂相比，城市河流对全球河流温室气体排放的CH₄和N₂O贡献比例要高。

总结讨论

河流作为复杂水体，特别是受到人类活动强烈干扰的城市水体，研究强调了城市河流在全球河流温室气体排放中的重要地位。研究估算了全球城市河流水体每年分别排放了1.1、42.3和0.021 Tg的CH₄、CO₂和N₂O。并且研究预测的温室气体排放量约是非城市河流的2倍，特别是与城市河流富营养化和营养物质循环有关的CH₄和N₂O排放量最高。在全球范围内，不同收入水平的国家其排放量存在差异，主要是因环境治理、污水处理等基础设施不完备导致中低收入国家的温室气体排放量较高。本研究强调了城市河流水体污染防控对于减少城市河流温室气体排放和确保城市可持续发展具有重要意义。

✎ 编者注

以上总结仅代表个人对论文的理解，仅供研究参考所用，不用于商业用途。若上述理解内容有误，请以论文原文为主。未经同意，禁止转载。

原文链接 ↓

https://doi.org/10.1038/s41893-024-01358-y

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团队介绍

湖泊遥感与智慧流域创新团队，主要围绕湖泊开展历史重构、现状观测和未来变化模拟等模型研制和应用实践工作，并在流域尺度开展大数据智慧管理平台研究，保障湖泊水质安全。团队拥有博士和硕士导师5人（段洪涛，罗菊花，刘东，谭振宇，邱银国），可分别在中国科学院南京地理与湖泊研究所、西北大学以及南京信息工程大学（国科大南京学院联合培养）等招收博、硕士研究生，欢迎报考！同时，长期招收联合培养研究生，欢迎咨询！

联系人：段洪涛研究员，htduan@niglas.ac.cn。

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