研究速递丨受污染的城市河流导致全球温室气体排放增加

城市是全球人为温室气体（GHG）排放的核心，而城市景观中的河流则是一个潜在的巨大温室气体源，但尚未得到定性。城市河流排放温室气体的原因是城市环境及其流域输入了过量的碳和氮。根据城市河流温室气体数据集和可靠的建模，我们估计全球城市河流每年排放 1.1、42.3和0.021千兆克甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和氧化亚氮（N2O），总计78.1 ± 3.5 千兆克二氧化碳当量（CO2-eq）。预测的温室气体排放量几乎是非城市河流排放量的两倍（~815 对 414 mmol CO2-eq m-2 d-1），在强度上与范围-1 城市排放量相似（1,058 mmol CO2-eq m-2 d-1），特别是较高的CH4和N2O排放量与城市河流广泛的富营养化以及碳和养分循环的改变有关。从全球来看，排放量随国民收入水平而变化，排放量最高的国家是河流污染控制不足的中低收入国家。这些发现强调了污染控制在减少城市河流温室气体排放和确保城市可持续性方面的重要性。

随着全球城市化的快速推进，城市区域已成为全球温室气体排放的主要来源，占总排放量的70%左右。尽管目前许多城市已经采取了针对社会经济领域的措施，但自然基础设施如城市河流的温室气体排放问题仍然受到重视。这种缺乏关注不仅限制了我们对城市生态系统中人类与自然相互作用的全面理解，也阻碍了可持续城市发展与气候变化的同步推进。

在城市环境中，河流作为绿色基础设施的一部分，为居民和生态系统提供了宝贵的社会经济和生态效益。然而，与较少受到干扰的自然水体相比，城市河流通常会因受到城市影响化进程中的水力调节、污染输入以及热岛效应的影响，导致其物理、化学和生物状况恶化。这些不利变化会进一步加剧碳和氮的输入，并导致循环过程的改变，从而产生更多的温室气体。

现有的研究发现，城市河流的温室气体排放水平普遍与非城市河流有关。例如，在亚洲城市的相关研究中，温室气体浓度和排放温室气体排放均明显地自然河流。然而，尽管这些地方性研究证明了城市河流GHG排放的显着性，目前还缺乏在全球范围内对这种现象进行系统性研究，以及理解其背后驱动因素的努力。因此，探索全球范围内城市河流GHG排放的特征和影响因素成为一个重要的研究空白。

该研究强调了气候变化和城市化相互作用的复杂性。在全球范围内，城市河流的物理和化学条件影响城市活动而急剧改变。例如，点源和点源污染的输入、大量有机物质物质的积累、以及城市热岛效应，这些因素都可能破坏城市河流的富营养化和缺氧状况，进一步影响碳和氮的循环过程。尽管目前已有的研究表明城市河流消耗的氧化和氧化亚氮（N2O）显着存在自然动力学，但在更大的尺度和全球背景下，如何确定这些排放以及理解其背后的机制仍然是当前面临的挑战。

为了阐明城市街区形式对 PE-CE 在区域差异方面的影响模式，研究通过汇编全球范围内的城市河流GHG（温室气体）观测数据，包括甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂）和氧化亚氮（N₂O）。该数据集涵盖了各主要气候区和社会经济条件下的城市河流，目的是识别城市河流与非城市河流GHG浓度和通量的差异。研究采用了随机森林回归模型，结合多种环境和社会经济变量，以预测全球城市河流的GHG排放，并量化这些排放的全球影响。

研究使用全球城市形态区域（Morphological Urban Areas, MUAs）数据集作为定义城市河流范围的边界。该数据集覆盖全球约300,000人口以上的城市，提供了一致的城市区域描述。此外，还与全球河流网络数据集（GRADES）相结合，确定了全球范围内城市河流的具体分布和特征，以便对其GHG排放进行建模和分析。这种结合确保了城市河流GHG排放的空间分布能够在全球尺度上得到准确估算。

为了量化城市河流的GHG排放，研究计算了每个河段的12个流域环境和社会经济预测因子，包括温度、降水、人口密度、GDP等。这些变量用于训练随机森林回归模型，以预测GHG浓度和通量。该模型考虑了不同变量之间的非线性关系以及它们的交互作用，从而提高了预测的准确性。研究还将这些模型应用于全球范围内所有识别出的城市河流段，以生成全球城市河流的GHG排放估算。

研究通过将模型预测的GHG通量与流域级别的河流表面积相结合，对全球范围内城市河流的GHG排放量进行放大和总量计算。河流表面积数据来自全球河流宽度数据集（GRWL），并根据月度温度和水文数据进行动态调整。同时，研究还考虑了季节性冰盖对GHG排放的影响，通过月度温度数据确定冰盖持续时间，并在冰融时期进行排放修正，以确保排放估算的准确性。

研究使用蒙特卡洛模拟法（Monte Carlo Simulation）来分析GHG排放估算的不确定性。模拟中考虑了随机森林模型预测误差和河流表面积估算误差两个主要来源。通过对每个GHG类型进行1,000次模拟，计算出GHG排放的不确定性范围，从而确保了结果的稳健性和可靠性。研究还指出，进一步的改进和校正可以提升城市河流GHG排放的估算精度。

研究发现，城市河流的GHG浓度和通量显著高于非城市河流。具体而言，城市河流中甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的通量分别高出非城市河流的4至5倍。相比之下，二氧化碳（CO₂）在城市河流中的浓度虽然也较高，但其通量的增加并不显著。这些高浓度和高通量主要归因于城市河流的营养物过剩和氧气缺乏等条件，导致了厌氧微生物活动的增强，从而促进了GHG的生成和释放。

全球城市河流的温室气体浓度和通量以及相关的物理化学测量。a,b, 城市河流温室气体浓度（a）和通量（b）的地理分布。e-g，全球资源信息数据库中城市河流与非城市河流的温室气体（CH4、CO2 和 N2O）浓度（e）、通量（f）和相关物理化学测量值（g、总磷（TP）、总氮（TN）、硝酸盐、溶解有机碳（DOC）、铵和溶解氧（DO））18 （不包括运河、沟渠、大坝或点源下游或受热源活动影响的地点）。在 e-g 中的每个图中，方框跨越第 25 百分位数和第 75 百分位数。

研究进一步分析了城市河流GHG浓度和通量的环境和社会经济驱动因素。结果显示，流域面积、人口密度和GDP等变量与GHG排放显著相关。小型城市河流和人口密集的区域往往表现出更高的CH₄和N₂O排放。此外，城市河流的温度和富营养化水平也是决定GHG排放的重要因素。例如，高温有助于甲烷和氧化亚氮的生成，而富营养化则导致城市河流中的氧气含量降低，从而增加了厌氧条件下GHG的释放。

图 5.北京、西安和上海部分指标的空间分布

标准化线性回归系数。a-f，温室气体浓度（a-c）和通量（d-f）与 12 个流域级集水区环境和社会经济参数之间的标准化线性回归系数。在进行标准化线性回归之前，所有因变量和自变量均采用 Z 分数标准化方法（平均值为零，标准差为单位）进行标准化。柱形高度与绝对值相对应，误差柱表示标准化回归系数的标准误差。柱形以颜色标示其符号（正或负）。柱状图上方的数字分别表示 P 值和样本量。P 值通过双侧 F 检验估算。未对多重比较进行调整。集水区变量按其类别用颜色编码（灰色代表物理变量，红色代表社会经济变量，蓝色代表气候变量，绿色代表陆地生物圈变量）。Pop，人口；Pop dens，人口密度；GDP p.c.，人均国内生产总值；Temp，温度；Prec，降水量；GPP，总初级生产力；NPP，净初级生产力；Soil resp，土壤呼吸作用。

研究发现，全球范围内城市河流的GHG浓度和通量在地理和社会经济层面上存在系统性变化。在热带地区的城市河流中，CH₄和CO₂的浓度和通量几乎是温带城市河流的两倍。而在社会经济层面，低至中等收入国家的城市河流GHG浓度和通量最高，但随着国家收入水平的提高，这些排放逐渐下降。这与环境库兹涅茨曲线理论相一致，即污染和环境退化在经济发展的早期阶段会上升，但在收入水平达到一定程度后开始下降。

全球范围内，城市河流每年排放约1.1Tg的CH₄、42.3Tg的CO₂和0.021Tg的N₂O，总计约78.1Tg CO₂当量。这些排放量相当于全球河流排放总量的1.5%左右，尽管城市河流仅占全球河流表面积的0.8%。在地理分布上，亚洲城市河流占全球城市河流GHG排放的最大份额，这与这些地区较高的排放率和大面积城市河流范围有关。研究还表明，城市河流的GHG排放强度与城市直接人为活动的排放强度相当，这表明城市河流是一个显著的GHG排放源，需在未来城市环境和气候政策中得到更多重视。

全球城市河流温室气体排放量（按二氧化碳当量计算）。a，全球城市河流温室气体预测排放量的地理分布。b-d，城市河流温室气体排放量在四个国家收入水平（b）、六大洲（c）和总辐射强迫中所占的百分比，分别与全球河流（d）相比。a 中的基图来自 GADM (https://gadm.org/)。

城市河流在全球GHG排放中的重要性：研究指出，尽管城市河流占全球河流总面积的比例较小（约0.8%），但其GHG排放强度却与全球城市人为活动的直接排放强度相当。这表明，城市河流在全球GHG排放中占据重要地位，是一个需要关注的关键排放源。因此，未来的城市环境和气候政策应更重视城市河流的排放管理，以实现更有效的减排策略。

环境和社会经济因素对GHG排放的影响：研究讨论了城市河流GHG排放的驱动因素，强调了流域面积、人口密度、GDP等社会经济变量与GHG浓度和通量之间的关系。例如，小型城市河流以及人口密集地区通常表现出更高的排放量。此外，高温和富营养化环境也是影响排放的重要因素，这些条件增加了厌氧过程，从而促进了CH₄和N₂O的排放。这表明，管理城市河流污染和富营养化是控制GHG排放的重要途径。

全球尺度上的城市河流GHG排放模式：研究中发现的城市河流GHG排放模式在全球尺度上展现出显著的地理和经济差异。热带地区的城市河流排放较高，而在低至中等收入国家，这些排放达到最高值。研究指出，这与环境库兹涅茨曲线理论一致，即在经济发展初期，污染随经济增长而增加，但在达到一定收入水平后，排放量下降。这说明，随着国家收入水平的提升，环境管理和污染控制的改进对于减少GHG排放是有效的。

未来城市化对GHG排放的影响：研究强调了治理城市河流污染不仅有助于减少GHG排放，还有助于改善城市生态系统和居民的生活环境。随着全球城市化的持续推进，特别是在低收入和中等收入国家，城市河流GHG排放预计将进一步增加。这些地区城市化的快速扩展伴随着严重的水质恶化和有限的污染控制手段。研究建议，在这些国家加强国际合作和资金技术支持，以有效减少城市河流GHG排放，并推动全球范围内的减排目标。

政策建议与未来研究方向：研究呼吁全球范围内实施更严格的城市河流污染控制政策，包括废水管理和河流生态修复。这些措施不仅有助于减排，还能够提升城市环境质量。此外，未来的研究应进一步探索城市河流GHG排放的具体机制和影响因素，并在更大范围和多样的城市条件下验证和扩展当前研究的发现，以制定更具针对性的减排措施。

本文编辑 |

詹鹏 北京师范大学博士研究生

李红杰 沈阳建筑大学风景园林硕士

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