城市化对亚热带河海连续体碳循环及温室气体排放的加速效应研究

《Environmental Research》：Urbanisation accelerates carbon cycling and greenhouse gas emissions along a river-ocean continuum in the humid subtropics

本研究针对城市化如何加速河海连续体碳循环及温室气体排放这一科学问题，通过对香港林村河开展为期一年的观测，发现城市化低地站点溶解有机碳(DOC)和颗粒有机碳(POC)浓度显著高于自然高地站点，二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)通量分别增加10倍和100倍以上。研究揭示了污水排放和河道渠化对碳通量的协同驱动机制，为城市河流碳管理提供了重要科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，河流系统作为连接陆地与海洋的重要碳传输通道，其碳循环过程对温室气体收支具有重要影响。然而随着城市化进程加速，自然河流生态系统正面临前所未有的压力。传统研究多聚焦于大型河流或原始河源，对高度城市化区域的小型河流碳通量认知存在显著空白。特别是在湿润亚热带地区，城市化如何改变河海连续体的碳循环速率和温室气体排放模式，成为亟待解决的科学问题。

为此，香港大学的研究团队在《Environmental Research》发表了题为"Urbanisation accelerates carbon cycling and greenhouse gas emissions along a river-ocean continuum in the humid subtropics"的研究论文。该研究以香港林村河流域为研究对象，通过为期12个月的系统观测，揭示了城市化对河流碳循环过程的影响机制。

研究团队采用了多技术融合的研究方法：利用YSI ProDSS水质分析仪进行水体理化参数实时监测；通过顶空平衡法结合气相色谱仪测定溶解温室气体分压；采用同位素比值质谱仪分析有机碳δ¹³C组成；运用浮箱法和质量平衡法计算水-气界面气体交换通量；结合流速-面积法和稀释测流法精确量化碳输送速率。

3.1 水体理化特征

研究期间河流流量呈现明显季节性变化，5月后低地站点流量持续高于1 m³/s。电导率数据显示河口站点受海水影响显著，而pH值在渠化河段明显升高，可能与混凝土结构溶出的碱性离子有关。

3.2 水生碳输送与同位素特征

城市化站点DOC和POC浓度分别达到自然站点的3.2倍和2.5倍。低地站点POC的δ¹³C值(-25.5‰)显著偏正于高地站点(-27.8‰)，指示人为输入源的主导地位。DIC输送速率在受污水影响站点显著提升，但同位素组成无显著空间差异。

3.3 温室气体动态

最具启示性的发现出现在CO₂通量空间分布上：非渠化城市河段(LT03)表现为碳汇，而下游渠化河段(LT04)转变为强碳源，通量达到前者的5倍以上。CH₄动力学特征显示，低地站点溶解浓度和排放通量均显著提升，且季节变异性较弱，印证了污水输入的持续性影响。

讨论部分深入剖析了驱动机制：污水输入提供了丰富的有机底物，微生物降解导致CO₂和CH₄产量增加；河道渠化通过提高流速增强湍流交换，同时混凝土结构改变水体化学环境，共同促进了温室气体逸散。同位素证据进一步证实，甲烷主要来源于污水系统的厌氧发酵过程，而非自然产甲烷途径。

这项研究的重要意义在于首次量化了城市化进程中污水排放与水利工程对河流碳循环的复合影响。研究结果挑战了传统认为河流碳循环主要受自然过程调控的认知，指出城市小河流可能是被忽视的温室气体热点源。这些发现为城市河流治理提供了新视角：在制定碳减排策略时，除控制点源污染外，还需综合考虑河道形态管理对碳循环的调控作用。该研究建立的多指标观测体系也为类似区域的碳通量研究提供了方法论借鉴。