温暖潮湿的气候条件加剧了中国最大城市湖泊夜间甲烷的积聚

《Journal of Environmental Management》：Warm-wet conditions enhance nighttime methane accumulation in China's largest urban lake

东湖甲烷昼夜与季节变化研究显示，温润季夜间溶解甲烷浓度显著升高（p<0.05），但经风速校正后通量日变化不显著（Rdn从0.88降至0.74），总通量较凉干季增加4倍。昼夜差异受温度、营养及藻类光合作用影响，需多时段采样以提高估算精度。

　　

杨 Wang|马冰洁|徐云军|沈帅|黄曦|王燕|叶松林|田晓康|吴志刚|李思月

武汉工业大学环境生态与生物工程学院，中国武汉，430205

摘要

城市湖泊中甲烷（CH₄）排放的日变化尚未得到充分关注。在这项研究中，我们评估了中国最大城市湖泊——武汉汤逊湖中溶解态CH₄浓度（dCH₄，μmol L^?1）和扩散态CH₄排放（FCH₄，mmol m^?2 d^?1）的日变化特征。我们在冷干季节和暖湿季节各进行了三次24小时采样调查，测定了每小时dCH₄、FCH₄以及环境条件。在冷干季节，未观察到dCH₄和FCH₄在昼夜间的显著差异；而在暖湿季节，夜间测得的dCH₄（0.42 ± 0.23）显著高于白天值（0.31 ± 0.11）（p < 0.05；效应量 |r| = 0.246；Mann Whitney U检验）。然而，由于白天气流速度加快，FCH₄的日变化并不显著。尽管如此，dCH₄与FCH₄的比率从冷干季节的0.88（白天：0.07；夜间：0.08）下降到暖湿季节的0.74（白天：0.29；夜间：0.39），这表明如果忽略夜间排放，仅基于白天的数据可能会低估每日FCH₄排放量约20%。暖湿季节的平均FCH₄排放量（0.33 ± 0.24 vs 0.08 ± 0.07）是冷干季节的4倍。这些结果表明，暖湿条件（温度、营养物质和营养状态的共同增加）会增强夜间dCH₄和FCH₄的排放。我们的研究强调了在估算城市湖泊CH₄排放量时考虑日变化和季节变化的必要性。多年份、多湖泊的研究对于量化气候变化对夜间CH₄排放的影响以及为全球碳预算中的城市湖泊管理提供依据至关重要。

引言

湖泊是甲烷（CH₄）的重要来源，因为其缺氧环境促进了甲烷生成（Pilla等人，2022；Zheng等人，2022）。随着人们对湖泊CH₄排放源及其量的认识不断增加，因为排放过程可能因生物地球化学和物理条件的不同而具有空间和时间上的变异性。这种变异性可能是导致全球湖泊CH₄排放量估计值存在较大不确定性的原因之一，报告的排放量范围从16 Tg CH₄ yr^?1（Holgerson和Raymond，2016）到41.6 ± 18.3 Tg CH₄ yr^?1（Johnson等人，2022）、54.23 Tg CH₄ yr^?1（Zheng等人，2022）以及150.9 ± 73 Tg CH₄ yr^?1（Rosentreter等人，2021）不等。这些差异源于湖泊特性的不同以及采样方法的不同。限制这种不确定性对于改进全球CH₄预算和制定湖泊碳管理策略至关重要。

与湖泊系统中CH₄排放的季节性变化相比，CH₄通量的日变化受到的关注较少（Sieczko等人，2020；S?等人，2024）。然而，了解CH₄排放的日变化模式对于多个方面都至关重要。首先，准确估算CH₄排放量需要连续监测，以捕捉高时间变异性，否则单次测量可能会遗漏这些变化。其次，甲烷的产生和排放过程受到温度、溶解氧和光照等因素的影响（Podgrajsek等人，2014；Sieczko等人，2020；S?等人，2024；Tan等人，2021），这些因素都表现出明显的日周期变化。研究甲烷排放的24小时周期变化可以揭示甲烷产生和氧化的机制及其与湖泊生态系统中其他生物地球化学过程的相互作用。

城市地区湖泊是CH₄排放的另一个重要来源（Bauduin等人，2024；Grinham等人，2018；Zhang等人，2023）。城市湖泊通常面积较小、水浅，并受到快速城市化的影响（高不透水面和富营养化）（Song等人，2022），这会刺激甲烷生成并增加排放量（Beaulieu等人，2019；Peacock等人，2021）。尽管已经研究了城市湖泊的整体和季节性CH₄排放量（Fan等人，2024；Herrero Ortega等人，2019；Pickard等人，2021；Zhang等人，2023），但关于城市湖泊中CH₄浓度和排放的日变化的研究仍然很少（Ai等人，2026；Bergen等人，2019；S?等人，2024）。

在这项研究中，我们提供了中国最大城市湖泊——汤逊湖在冷干季节和暖湿季节24小时内的溶解态CH₄浓度（dCH₄）的高频（每小时）测量数据以及扩散态CH₄通量（FCH₄）的估算结果。我们假设：（1）由于藻类光合作用产生的氧气，城市湖泊在白天的CH₄浓度和通量较低；（2）在温暖条件下，由于温度升高导致的藻类大量繁殖，白天的CH₄通量对总日通量的贡献较小。因此，本研究的目标是（a）量化最大城市湖泊中CH₄浓度和通量的24小时周期和季节变化，（b）确定影响这些变化的关键因素，（c）为大城市地区湖泊CH₄通量估算提供有价值的参考。

研究区域

研究区域

汤逊湖位于中国武汉市中心（29°58′?31°22′N和113°41′?115°05′E）。武汉位于长江中游，是一个交通和工业枢纽，人口超过1300万。该地区属于亚热带季风湿润气候，年平均气温为16.3°C，年降水量为1150至1450毫米，其中约60%的降水量发生在4月至10月之间。

作为中国最大的城市湖泊，汤逊湖...

dCH₄和FCH₄的日变化和季节变化

总体而言，当汇总所有站点和季节的数据时，无论是dCH₄（白天：0.24 ± 0.13 μmol L^?1；夜间：0.28 ± 0.22 μmol L^{?1p = 0.69；|r| = 0.033）还是FCH₄（白天：0.19 ± 0.15 mmol m?2 d?1；夜间：0.22 ± 0.27 mmol m?2 d?1p = 0.36；|r| = 0.076），使用Mann Whitney U检验均未显示出显著的昼夜差异（表1；图S1）。然而，在暖湿季节，这两个指标的值都显著高于冷干季节（dCH₄：0.35 ± 0.33 vs 0.16 ± 0.13 μmol L?1p}

湖泊中甲烷的日变化动态

本研究显示，在暖湿季节，汤逊湖中的dCH₄显著升高，尤其是在夜间（表1）。FCH₄的昼夜比率（R_dn）平均为0.86（范围0.56–3；表1）。虽然FCH₄的昼夜差异在统计上不显著（冷干季节：p = 0.83；暖湿季节：p = 0.55；表1），但R_dn可以反映采样偏差。即使数值变化较小（例如，从冷干季节的0.88降至暖湿季节的0.74），也表明仅基于白天的数据可能会低估实际情况。

结论

我们的研究揭示了汤逊湖中dCH₄的显著季节性和站点特异性日变化，特别是在暖湿季节夜间值显著升高。相比之下，在两个季节中均未发现FCH₄估算值的显著日变化。在暖湿季节，这种差异的缺失是由于白天气流速度加快，掩盖了夜间FCH₄的增加。

CRediT作者贡献声明

杨 Wang：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、研究、资金获取。马冰洁：研究。徐云军：撰写——审阅与编辑、概念构思。沈帅：研究。黄曦：研究。王燕：研究。叶松林：研究。田晓康：研究。吴志刚：撰写——审阅与编辑、概念构思。李思月：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42407083、42577079）和武汉工业大学科学研究基金（编号23QD43、24QD26、21QD02）的财政支持。此外，还得到了武汉市科技计划项目（编号2023020402010623）和湖北省重点研发项目（2023BCB107）的资助。在准备本手稿期间，徐云军获得了美国农业部的资助。