原文以Waterfalls enhance regional methane emissions by enabling dissolved methane to bypass microbial oxidation

為標(biāo)題發(fā)表在Communications Earth & Environment (IF=7.29)上 作者 | Rebecca L. Rust等

當(dāng)我們欣賞河流飛瀑之美時,，往往不會想到,，這樣的自然景觀竟然可能對全球溫室氣體排放產(chǎn)生影響。最新研究發(fā)現(xiàn),，瀑布不僅增強(qiáng)了局部甲烷（CH?）排放,，在特定條件下，還可能顯著提升整個流域的甲烷排放總量,。

淡水系統(tǒng)為何值得關(guān)注,？

盡管湖泊和河流等淡水環(huán)境僅覆蓋地球表面積的不到1%，它們卻是全球大氣甲烷的重要自然來源,。研究表明：

• 全球淡水系統(tǒng)每年排放 CH? 約 8–73 Tg

• 其中,，河流系統(tǒng)貢獻(xiàn)了約 26.8 Tg

這些甲烷大多源自河床沉積物中的微生物產(chǎn)甲烷，也可能包括地質(zhì)滲漏,、農(nóng)業(yè)活動等。當(dāng)甲烷溶解在水體中,，其去向只有兩種：要么被微生物氧化,，要么逸出到大氣中。

瀑布如何影響甲烷的“命運”,？

在沒有微生物氧化作用時,，瀑布雖然提升了局部排放速度，但對區(qū)域甲烷總排放量影響不大,。但如果河流中存在活躍的需氧甲烷氧化過程,，瀑布可能會改變這一平衡。

本研究在美國紐約州西部九個瀑布點開展實地測量,，重點關(guān)注兩個過程：

• 甲烷排放速率（與水體湍流和氣體交換有關(guān)）

• 甲烷氧化速率（微生物消耗 CH? 的過程）

研究發(fā)現(xiàn)：

湍流較弱區(qū)域,，微生物氧化可去除高達(dá)55%的溶解甲烷；在瀑布區(qū)域,，約88% ± 1% 的溶解甲烷迅速排放到大氣中,，排放速率遠(yuǎn)高于氧化速率。

換句話說,，瀑布通過增強(qiáng)氣體交換速率,，使甲烷“繞過”了氧化過程，直接進(jìn)入大氣,，從而在區(qū)域尺度上放大了甲烷排放,。

瀑布對甲烷排放的影響

模擬兩種情境：揭示瀑布的關(guān)鍵作用

研究還設(shè)計了兩種理論情境,，用于理解瀑布對整個流域排放的影響：

情境一：微生物氧化作用不顯著

瀑布僅提高局部排放速率，但不會改變整條河流系統(tǒng)的甲烷總排放量,。類似搖晃一瓶汽水——釋放速度加快,，但總氣體量不變。

情境二：氧化作用活躍

原本應(yīng)在下游被氧化的甲烷在瀑布處提前排放,，導(dǎo)致整個河流系統(tǒng)的總排放增加,。下游甲烷濃度降低，還會進(jìn)一步削弱氧化作用,，形成放大效應(yīng),。

研究結(jié)果更符合第二種情境，說明瀑布確實可能在區(qū)域尺度上提升甲烷排放總量,。

為什么湍流這么重要,？

河水湍流不僅制造飛濺和泡沫，也會加快水-氣界面的氣體交換,。研究中使用的“復(fù)氧系數(shù)”（Reaeration Coefficient）可量化這一過程,，它決定了溶解氣體排放到大氣的速度。

在研究的瀑布區(qū)域,，測得的復(fù)氧系數(shù)非常高,，說明甲烷向大氣的轉(zhuǎn)化過程極快。更重要的是,，這些點位的一致性表明：“88% 甲烷損失率”或可作為估算瀑布甲烷排放的通用參數(shù),。

全球背景：從瀑布到水壩，甲烷脫氣不容忽視

先前已有研究表明：

• 巴西 Balbina 水壩湍流區(qū)域,，51% 的 CO? 脫氣發(fā)生于壩下游,；

• 法屬圭亞那 Petit-Saut 水壩，水流通過壩體時釋放出 80–90% 的溶解甲烷,；

• 一些研究還發(fā)現(xiàn),，河流坡度越大，CH? 和 CO? 排放越強(qiáng),。

本研究系統(tǒng)性地揭示了瀑布對甲烷“氧化-排放”路徑的重新分配效應(yīng),，并指出其可能在區(qū)域?qū)用骘@著改變排放格局。

展望：我們?yōu)楹涡枰P(guān)注這些“點源”,？

本研究強(qiáng)調(diào),，若要準(zhǔn)確評估淡水系統(tǒng)對全球甲烷預(yù)算的影響，不能忽視瀑布這類強(qiáng)湍流結(jié)構(gòu)的作用,。

未來研究建議包括：

• 在不同氣候與水文條件下,，進(jìn)一步監(jiān)測 CH? 氧化速率與排放速率；

• 將“瀑布甲烷釋放百分比”納入全球模型,，用于更準(zhǔn)確地估算 CH? 通量,；

• 研究人造水利設(shè)施（如跌水,、泄洪壩）在碳排放中的角色。

在全球溫室氣體減排的背景下,，重新審視這些自然過程,，不僅有助于構(gòu)建更精確的碳預(yù)算模型，也為制定氣候政策提供重要依據(jù),。

如何測量瀑布區(qū)域的甲烷排放,？

為準(zhǔn)確評估瀑布區(qū)域甲烷（CH?）排放特征，本研究盡可能在瀑布原位進(jìn)行現(xiàn)場測量,。所有關(guān)于甲烷溶解分壓（pCH?）和水溫的數(shù)據(jù)均在野外實時獲取,。

與傳統(tǒng)“一次采樣、實驗室分析”的方式不同,，現(xiàn)場連續(xù)采樣并即時測量能夠在每個點位獲取多組平均數(shù)據(jù),，也便于在發(fā)現(xiàn)異常（如取樣管位置不佳）時快速調(diào)整，提高了數(shù)據(jù)的代表性和可靠性,。

從氣體分壓到濃度：如何換算,？

由于分析儀器測得的是水氣平衡器中氣態(tài)的甲烷分壓（pCH?），研究團(tuán)隊采用與溫度相關(guān)的甲烷溶解度系數(shù),，將分壓值換算為以「摩爾每升（mol/L）」為單位的溶解濃度,，用于后續(xù)通量計算。

現(xiàn)場測量設(shè)備與流程

水氣平衡測量系統(tǒng)和LI-7810測量數(shù)據(jù)

為適應(yīng)偏遠(yuǎn)河流區(qū)域的采樣需求,，研究團(tuán)隊使用了一套便攜式水氣平衡測量系統(tǒng),，可背包或手提運輸。系統(tǒng)核心由以下部分構(gòu)成：

水體采集與輸送

• 使用 Fimco 2.4 GPM 12V 高性能泵 抽取河水,；

• 泵使用 Mighty Max 12V 22Ah 電池供電；

• 利用 5/16 英寸 PVC 軟管和閥門構(gòu)建可調(diào)水流旁通系統(tǒng),；

• 軟管通過 5–16 英尺可伸縮桿（Ettore）延伸至河流中心采樣,。

水氣平衡器（Equilibrator）設(shè)計

河水通過噴嘴進(jìn)入水氣平衡器，提高水-氣界面表面積,，加快平衡,；

底部溢流后水體排出，但內(nèi)部空氣空間保持密閉,，形成穩(wěn)定平衡環(huán)境,；

甲烷濃度測量與循環(huán)系統(tǒng)

• 內(nèi)部空氣通過 1/8 英寸特氟龍硬管接入 LI-COR LI-7810 高精度CH?/CO?/H?O分析儀；

• 儀器內(nèi)置泵將空氣抽取,，通過 AF2-213 型水滴過濾器后進(jìn)入光腔測量,；

• 分析后氣體返回平衡器，形成封閉循環(huán)系統(tǒng),，保證濃度穩(wěn)定,；

水溫測量

使用 Omega HH41 溫度探針,，放置于平衡器溢流盆中，水溫穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù),。

氣液平衡時間控制

CH? 在水氣平衡器中達(dá)到穩(wěn)定所需的時間取決于其溶解度和系統(tǒng)設(shè)計,。實驗結(jié)果顯示：甲烷平均達(dá)到平衡所需時間為 9.5 分鐘。所有用于計算的甲烷濃度數(shù)據(jù),，均采自達(dá)到氣液平衡之后的穩(wěn)定讀數(shù),，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

通過這套-現(xiàn)場高頻采樣系統(tǒng),，研究團(tuán)隊不僅提高了測量效率,，還顯著減少了傳統(tǒng)實驗方法可能帶來的樣品變性和數(shù)據(jù)誤差，從而更精確地揭示了瀑布區(qū)域 CH? 排放的真實特征,。