湖泊温室气体甲烷是怎样一个生消路径？
民生
科学
2024-08-31 09:37
云南
湖沼学说（huzhaoxueshuo）——聚焦湖沼，分享科研成果，碰撞学术火花，5000+科技工作者订阅的微信号。点击『湖沼学说』关注，我们将为你提供有价值、有思想的科研洞见。随着全球气候变化问题日益突出，温室气体排放的研究成为全球科学界的焦点。尽管二氧化碳（CO₂）一直被视为主要的温室气体，但甲烷（CH₄）因其更强的温室效应逐渐受到关注。甲烷的全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）是二氧化碳的28至34倍，其在大气中的贡献尤为显著。湖泊作为陆地表面的重要组成部分，其在全球甲烷循环中扮演着关键角色。因此，理解湖泊甲烷的生消路径不仅对于湖泊生态系统的管理至关重要，也对全球气候变化的缓解具有重要意义。湖泊中甲烷的生成主要通过厌氧微生物作用分解有机物质的过程发生，具体可以分为以下几种途径：在湖泊沉积物中，厌氧微生物通过发酵作用分解有机物，生成简单的有机酸和醇类。此过程中，乙酸菌（Acetogenic bacteria）将产物进一步转化为乙酸，乙酸是产甲烷菌（Methanogens）生产甲烷的重要前体。另一种重要的甲烷生成途径是通过二氧化碳的还原作用。产甲烷菌能够利用氢气（H₂）作为电子供体，将二氧化碳还原为甲烷（CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O）。这一过程在缺乏乙酸或其他有机前体时尤为重要，常见于深层沉积物或有机物较少的湖泊环境中。某些甲烷生成菌还能够利用甲基化化合物如甲胺（methylamine）、甲醇（methanol）等生成甲烷。这种路径通常在富含有机质的环境中活跃，尤其是植物凋落物和浮游生物丰富的湖泊。湖泊中的甲烷并非一经生成便直接释放到大气中，其经历了复杂的转化和迁移过程，包括氧化、扩散、逃逸等过程。在湖泊表层水体和沉积物中，甲烷可以通过甲烷氧化菌（methanotrophs）的作用被氧化为二氧化碳。此过程在水体含氧条件下尤为活跃，被认为是减少湖泊甲烷释放的重要机制之一。甲烷氧化不仅影响了湖泊中的碳循环，还与氮循环有密切关系，因为甲烷氧化菌通常能利用氨氧化菌产生的硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体。甲烷可以通过分子扩散的方式从湖泊沉积物中进入水柱。然而，由于甲烷在水中的溶解度较低，当其浓度达到一定水平时，会形成气泡并以气泡的形式迅速上升至水面并释放到大气中。此过程受到水体温度、气压、沉积物性质等多种因素的影响。研究显示，气泡释放是浅水湖泊甲烷释放的主要途径，而在深水湖泊中，扩散则占主导地位。湖泊的分层结构对甲烷的生成、储存和释放具有重要影响。夏季热分层期间，湖泊底部的厌氧环境有利于甲烷的生成，但由于温跃层的存在，甲烷难以向上扩散，只能在底层水体中积累。随着秋季的水体全循环（overturn），底层水体携带的高浓度甲烷会快速向表层扩散并释放到大气中。这一过程可能在短时间内造成显著的甲烷排放峰值。湖泊甲烷排放量受到多种环境因素的影响，这些因素包括湖泊的形态、气候条件、水文过程以及生物活动。研究表明，湖泊的形态和大小显著影响甲烷的生成与排放。浅水湖泊由于水体较浅，沉积物中的甲烷更容易通过气泡释放至大气中；而深水湖泊通常具有较大的厌氧区域，有利于甲烷的生成，但由于水柱较深，甲烷需要更长的时间扩散到水面，从而更容易被氧化。气候条件，尤其是温度和降水，对湖泊甲烷排放有显著影响。温暖的气候条件会增强微生物活动，促进甲烷的生成，同时也会降低水体的溶解氧含量，减少甲烷氧化的机会。此外，降水量的变化会影响湖泊的水位和分层结构，进而影响甲烷的扩散和释放。湖泊的水文过程如湖水的流入流出、降雨冲刷等也会对甲烷排放产生影响。快速的水体更替会带走底层水体中的甲烷，而洪水等极端天气事件则可能导致湖泊沉积物的扰动，释放出大量的甲烷。湖泊中的植物和浮游生物通过光合作用和呼吸作用对碳循环产生影响，也间接影响了甲烷的生成与排放。例如，湖泊中的大型水生植物（如芦苇等）可以通过根系将氧气输送到沉积物中，抑制甲烷的生成；而浮游植物的季节性大量繁殖和死亡则会增加湖泊中的有机物质，促进甲烷生成。湖泊甲烷排放虽然在全球温室气体排放中所占比例较小，但由于其高效的温室效应，对气候变化的贡献不可忽视。据估计，全球内陆水体（包括湖泊、湿地、河流等）每年释放的甲烷量占全球甲烷排放总量的20%左右，其中湖泊贡献了约1/3。鉴于湖泊甲烷排放的显著性及其对气候变化的潜在影响，研究和监测湖泊甲烷排放成为当前气候科学的重要任务之一。湖泊甲烷排放还与局地环境和生态系统密切相关。甲烷的生成和释放不仅影响湖泊中的碳循环，还与湖泊的溶解氧水平、营养盐浓度等水质参数密切相关。甲烷的释放也可能导致区域气候的变化，进而影响湖泊的生态系统功能。在中国科学院南京地理与湖泊研究所吴庆龙研究员团队的研究中，通过原位甲烷碳同位素分析、基于mcrA基因的扩增子测序及功能预测等方法，阐明了长江河流—河口连续体的主要产甲烷途径为氢营养型产甲烷途径。研究发现，该区域在丰水期和枯水期的甲烷释放通量分别为27.9±11.4μmol/m²/d和36.5±24.4μmol/m²/d，与湿地、湖泊和泥炭地等其它类型的生态系统相比，为甲烷释放的弱源。此外，研究还表明三峡大坝的修筑显著削减了下游82.5%的甲烷释放，这为评估大型水利工程对甲烷释放的影响提供了重要参考。在湖北省宜昌市梅子垭水库的研究中，通过对水体中溶解甲烷浓度的季节性昼夜连续监测发现，全天水体中溶解甲烷浓度呈波动性变化，整体上从表层到底层溶解甲烷浓度逐渐增加。不同季节水体中溶解甲烷浓度存在显著差异，秋、冬季明显高于春、夏季。这一研究揭示了浅水水库中甲烷浓度的季节变化规律及其与环境因子的关系，为正确认识浅水水库中甲烷的产生和消耗过程提供了基础依据。基于太湖藻型湖区长期、逐月/季度CH₄扩散排放的实测数据，结合同步遥感影像反演/计算得的叶绿素a浓度、光合有效辐射数据、地表温度以及漫衰减系数等输入变量，构建了CH₄扩散排放的遥感估算模型。该模型成功重构了2002-2020年太湖CH₄扩散排放的长时序数据集，并通过验证表明具有较高的准确性。这一研究不仅克服了传统点位观测-尺度上推的局限性，还为广泛分布的湖泊等水体CH₄排放估算提供了新思路。为有效减少湖泊甲烷排放，科学管理和技术控制措施是必要的。当前的研究已经提出了多种可能的策略：增加湖泊中的氧气含量可以抑制甲烷的生成和促进甲烷的氧化。例如，通过水体曝气、植被管理等手段增加水体溶解氧含量，有助于降低甲烷排放。控制湖泊中有机物质的输入，特别是外源有机物质（如农业径流、生活污水等）的减少，可以有效减少甲烷的生成。实施湖泊周边的土地利用管理，如限制肥料和农药的使用，也是减少有机物输入的重要手段。合理调控湖泊的水位和流速，减少湖泊分层时间和增强水体交换，可以减少底层甲烷的积累和释放。此外，通过人工控制水体流速，也可促进湖泊的整体水质改善。对于甲烷排放严重的湖泊，可以考虑应用甲烷捕集和利用技术，将甲烷转化为能源或其他有价值的化学品，减少其对环境的影响。湖泊作为内陆水体的重要组成部分，其甲烷生成与排放路径的研究对于理解全球碳循环和应对气候变化至关重要。本文详细分析了湖泊甲烷的生成机制、转化与迁移路径、影响因素及其全球意义，提出了湖泊甲烷排放的管理与控制策略。未来的研究应进一步加强对不同类型湖泊的甲烷排放监测，深化对湖泊生态系统中甲烷动态过程的理解，并开发更加有效的控制和管理措施，以实现全球气候目标的达成。看更多湖沼科技论文
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