期刊：Nature
中文题目：河流和溪流的全球甲烷排放量
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CH4淡水生态系统的排放，为全球气候提供积极的反馈。然而，对于河流和溪流，CH4的控制力和规模排放仍然高度不确定。在这里，我们报告了对自来水 CH4排放量的空间明确的全球估计，CH4每年占27.9 Tg（16.7-39.7），与其他淡水系统的规模大致相同。河流CH4排放对温度依赖性不强，其平均活化能(EM = 0.14 eV)低于湖泊和湿地(EM = 0.96 eV)。相比之下，全球排放格局的特点是在高纬度和低纬度环境中，以及在人类主导的环境中具有大通量。这些模式可以用与河流栖息地及其附近的缺氧有关的地理和气候特征来解释，包括与水文有关的土壤中有机物质的大量供应和水饱和度。我们的研究结果强调了陆地-水连接在调节自来水CH4供应中的重要性，自来水不仅容易受到人类直接改变的影响，而且容易受到陆地上几种气候变化反应的影响。
研究背景
淡水生态系统排放到大气中的甲烷占全球甲烷排放量的近一半。然而，在淡水中，河流和溪流在全球 CH4 循环中的作用仍不清楚，尽管目前对全球河流排放量的最佳估计在数量上与其他重要 CH4 来源（例如生物质燃烧和水稻种植）相似。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，河流生态系统独特之处在于其在内部产生CH4的潜力，同时还接收和排放邻近土壤和湿地外部产生的大量CH4。因此，全球溪流和河流的甲烷排放可能受到跨陆地-水边界的多种环境因素的调节。弄清这些对CH4的控制机制的问题可以改善我们对河流甲烷排放的预测，并更广泛地了解流水如何处理并向下游生态系统输送碳，以应对气候变暖和其他全球环境变化。
尽管河流甲烷排放具有作为重要大气源的潜力，但目前河流 CH4 排放综合显示出极端的空间和时间变化，测量的速率跨越七个数量级，并且对甲烷动力学描述具有很强的精细尺度控制。因此，全球估算值一直基于测得CH4 排放量的简单平均来生成的，这导致了巨大的不确定性、未知的全球模式，以及自下而上的清单和自上而下的估算之间的巨大差异。水生甲烷排放是通过扩散和更加多变的沸腾过程（其中富含甲烷的气泡从沉积物中释放出来）引起了进一步的复杂化。为了解决这些不确定性并加深我们对流水中的CH4 动态理解，我们利用了CH4数据库（全球河流甲烷数据库 (GRiMeDB)），其中包含 24000 多个 CH4 浓度观测值和 8000 多个 CH4 通量观测值。使用随机森林机器学习模型对全球 CH4 浓度进行建模。从这些模型中，我们可以解释 CH4 浓度总变异性的很大一部分（R2 来自对数转换模型与 0.45-0.68 的保留观测值），并生成季节性和空间上明确的 来自河流和溪流的CH4 排放全球估计值。更重要的是，利用该数据库和模型的输出，我们能够确定全球自来水中 CH4 浓度和通量的主要驱动因素。
研究结果
（1）全球河流中 CH4 模式
河流和溪流中CH4浓度的全球模式（图1）突出了调节周边流域的原位生产或供应的多种因素的影响。总而言之，研究结果表明气候和土壤特征的多种组合如何为土壤或沉积物产甲烷创造条件，从而塑造全球河流CH4浓度和排放模式。
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）。数据已汇总到六边形箱中，并且每个六边形的大小会随着径流重新缩放，以更好地可视化自来水覆盖率高的区域的模式。径流量大于每年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%;径流每年小于50毫米的六边形减少了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。
尽管全球范围内CH4浓度分布有清晰的模式，但我们的随机森林模型中最重要的变量反映了当地景观的物理模板（图2a）。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。我们的研究结果表明，一组气候和生物变量可调节全球范围内自来水中甲烷的产生和可用性，第二组地貌和物理变量可调节河流河段范围内的浓度。重要的是，个别研究强调了比此处考虑了更精细的空间和时间变异性，这是由于地下水输入和沉积物特性的斑块性，河流流量的波动，甚至调节平衡的因素的昼夜变异性引起的。CH4生产、氧化和通量。我们的模型没有捕获这些局部控制，该模型基于应用于每月汇总CH4浓度的相对粗略的空间预测因子。此类控制可能导致我们的模型中出现很大一部分无法解释的变异性（图4），这表明全球模型与范围规模的实地研究之间存在尚未解决的差异。
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CH的边际效应4浓度（Y轴）。b，中文4GRiMeDB部分站点类别的集中度13被排除在模型之外，因为它们没有在水文模型中捕获，或者是不代表集水区属性的目标观测。基础抖动点表示GRiMeDB中的所有其他观测值，虚线表示平均值。每个类别都有颜色编码，黑点和一条线代表平均±s.d。
CH4扩散排放的全球模式与浓度模式相似（图1b），但放大的通量对事后执行的水-空别气气体传输率校正很敏感，特是在山区。无论如何，由于CH4浓度高和较大的河流面积，热带地区（10°S–10°N）占全球排放量的最大份额（37%），其时间模式反映了雨季和旱季之间的变化（图1）。然而，北极和北部寒带地区（纬度>50°N）尽管一年中大部分时间被冰雪覆盖，但其对年度CH4排放量的贡献几乎与温带和亚热带纬度带(15%)相同(17%)(30–50°N)（图3）。高纬度地区也存在明显的季节性，因为冬季和夏季之间开放水面面积和水文连通性存在差异，而且我们的估计假设冰雪覆盖会阻止河流CH4排放。这种假设可能是保守的，因为冰下甲烷浓度不断增加，导致航道开放的地方或冰层破裂期间的逃逸率很高。重要的是，在这些高纬度地区，快速的气候变化有可能进一步增加河流甲烷排放量，因为河流冰盖持续减少，开放水域季节延长，而降水量预计增加，可能会增加景观被淹没的比例。并将CH4和其他碳化合物冲洗至下游。此外，冻土解冻会导致河流中CH4大量流失，我们在融化塌陷下方观察到的河流CH4浓度升高中发现了这一点（图2b）。尽管北部生物群落可能特别容易受到此类气候变化的影响，但向干燥或湿润条件的转变可能会改变任何区域环境中河流系统中景观规模的甲烷生产和供应。无论如何，这里显示的排放量的纬度模式不仅突显了热带溪流和河流作为大气中甲烷的重要排放源，而且还突显了北部生态系统因全球气候变化而做出越来越大贡献的潜力。
图3 CH4排放的季节性模式。左：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。
（2）温度与人类的作用
温暖地区和寒冷地区CH4浓度和排放量的升高，与淡水系统中观察到的CH4排放的普遍温度依赖性明显不一致。水生甲烷生成始终受到温度的强烈调节，在培养物(EM=1.1eV)和沉积物孵化(EM=0.93eV)中观察到高活化能(EM)，包括河流环境(EM=1.1eV)。在水生生态系统和湿地中，这种温度依赖性可以转化为向大气排放的定量相似的热缩放(EM=0.96eV)。然而，当考虑整个数据集（EM=0.17eV）、个别地点（图4a）和沸腾损失时，全球河流扩散排放的表观温度敏感性明显低于这些值。与湖泊、湿地和稻田相比，我们对河流特定地点的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至0.51）1（P<0.001，Wilcoxon秩和检验；图4b））。我们将这些较低的EM估计值归因于流水的根本开放性质，其中外部输入不仅占逃逸到大气中的碳气体的很大一部分，而且还通过陆地有机物质供应为水生代谢过程提供燃料。这些强大的外部来源和控制措施削弱了流水排放的严格热敏感性，特别是与代谢过程通常受到更多内部调节的湖泊和湿地相比。此外，缺乏强烈的热影响可能反映出随着温度升高，CH4氧化会平行增加，以及地下水中的产甲烷菌有可能适应热稳定性，从而对温度变化的反应较小。无论如何，尽管温度是我们模型中的重要预测因素之一，并且对个别河流也很重要，但它并不能作为对全球排放模式的一级控制。事实上，尽管人们非常关注水生甲烷生成的温度依赖性，但我们认为，气候变化对河流CH4排放的最重要影响可能是通过变暖和降水变化对土壤和湿地产生甲烷的能力的间接影响来实现的。凭借这些来源与河道之间的水文联系，以及直接加载可增强河道附近或内部CH4产量的有机物和营养物，产生CH4。
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。1.垂直虚线显示零x截距。
除了气候、生物和物理驱动因素之外，人口密度也对我们模型中的CH4浓度产生积极影响。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CH4的生产和/或排放。例如，蓄水池可以生产并向下游出口大量CH4；农业区是细小沉积物、有机碳和养分的来源，可促进内部CH4生产；城市化地区的污水往往是CH4产生的热点。至关重要的是，我们从我们的模型中排除了来自最高度修改的系统的观测结果，因为这些站点不由所使用的空间预测器代表。然而，在受废水处理厂（点源）直接影响的溪流、森林和农业沟渠、城市运河以及受天然气开采影响的河流中，CH4浓度往往升高（图2b）。还需要注意的是，本研究不包括水库和蓄水池的CH4排放，因为它们通常被归类为静水。尽管如此，这些栖息地代表了人类对河流网络的改变，并占淡水排放量的很大一部分（约10%）。总体而言，这些结果表明人类活动在增加河流甲烷排放方面发挥着越来越大的作用，了解和减少此类损失为缓解气候变化提供了机会。
（3）全球河流的CH4排放量
我们估计每年向大气中扩散的CH4排放量为每年13.4（10.1-16.8）Tg（括号值表示蒙特卡罗模拟的第10-90个百分位数）。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。GRiMeDB中汇编的数据突出显示了流水沸腾测量的缺乏，并显示通量率的范围很大。文献观测同样显示气泡介导的CH4通量存在极端的空间和时间变化，表明对CH4沸腾排放的进一步测量可以支持更稳健的全球量化。无论如何，数据集显示河流中的扩散通量和沸腾通量具有相同的量级，中位数分别为每天0.157mmolm−2和0.128mmolm−2每天，呈线性相关且接近1:1线。这种相似性表明扩散和沸腾途径具有共同的来源或共同的驱动因素。因此，使用扩展数据图7中的线性模型作为初步估计，我们预计河流中沸腾产生的CH4每年排放到大气中的CH4量为14.5 (6.6–22.9) Tg，总计约为27.9(16.7–39.7) Tg CH4。这一总体年度估计值处于之前对河流CH4排放量估计值的较高位置，之前的河流CH4排放量估计值范围为每年1.5 Tg CH4至31 Tg CH4，其数量与湖泊和河流CH4排放量相似。我们对CH4排放量的空间和时间明确估计的不确定性比过去的研究要少得多，因为它基于更多数量级的数据，使其更适合纳入全球CH4预算。
我们对GRiMeDB数据库的分析表明，溪流和河流的CH4排放在全球范围内都很重要，但与其他淡水生态系统相比，受到根本不同的驱动因素的影响。例如，温度通常是水生甲烷生产的一级控制，并被用作基于过程的模型的主要参数，用于预测湿地和湖泊的排放以及预测气候变化下的未来排放。相比之下，对于流水来说，来自湿地和土壤的甲烷横向输入似乎很大，因此超出传统水生生态系统边界的全球变化的间接影响似乎比直接的内部影响更强烈地调节排放。因此，未来尝试代表河流CH4排放的基于过程的模型可以通过关注本研究中提出的景观和水文驱动因素背后的过程来改进。此外，这种对外部过程的依赖，再加上对最高度改变的水生生态系统的观察，凸显了人类影响流水甲烷排放的潜力，从而能够采取具体的气候减缓措施，减少这种重要温室气体的排放。
研究结论
研究发现，流动水域占地球自然甲烷排放总量的约10%，即，河流和溪流每年的CH4排放量约27.9 Tg，与湖泊和水库排放的数量相似。
CH4的排放量在热带和高纬度地区都很高，温度不是控制河流甲烷排放的主要因素。甲烷排放主要取决于周围景观及其与水域的连接。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。这些条件有利于微生物在土壤和沉积物中产生甲烷，然后被运输到水域并释放到大气中。
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。该研究估计，人类主导的景观贡献了全球河流甲烷排放量的约15%。
文献来源：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06344-6
来源：早晚地理
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