河流纵向甲烷（CH4）排放及其受水坝建设和城市化的影响

《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》：Longitudinal Riverine CH4 Emissions and the Impacts of River Damming and Urbanization

城市化与水库建设显著增加中国北方河流甲烷排放，其机制与细颗粒沉积物堆积、水流减缓导致的缺氧环境及甲烷菌群落演替相关。

　　

摘要

城市化和河流筑坝是人类活动对自然环境的重大干扰，这些活动改变了水文过程和流域特征，进而影响了河流中的甲烷（CH₄）排放。然而，这些活动如何在流域范围内驱动CH₄排放的机制仍不甚明了，尤其是在人口密集的地区。为了解决这一问题，我们在中国北部一条河流上沿着747公里的河段进行了CH₄排放量的测量，时间是在夏末。研究结果表明，受水库影响的河段和下游河段的CH₄排放量比上游河段高出70%至110%（分别为3.30和2.64毫米摩尔/平方米·天，p < 0.01）。CH₄排放热点与细颗粒沉积物密切相关，这种现象在城市化程度高和被拦截的河段尤为明显。这些河段的水流速度减缓以及水体停留时间延长促进了细颗粒沉积物的积累，增加了有机底物的可用性，形成了缺氧环境，并改变了产甲烷菌群落的结构。此外，城市化和筑坝显著改变了碳的代谢途径，这体现在CH₄与CO₂的比例从上游的0.03上升到城市化河段的0.08，再到受水库影响的河段的0.16；同时，上游河段的< />

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基因比值也有所增加。缺氧环境以及污水带来的有机物质输入为产甲烷菌的生长和活动创造了有利条件，最终导致城市化河段的CH₄排放量增加。这些发现突显了人类活动在控制河流CH₄排放以及通过改变沉积物和水文状况以及产甲烷菌群落结构来影响CH₄与CO₂比例方面的重要作用。

通俗语言总结

受到人类干扰的河流被认为是碳循环的热点区域，也是大气中CH₄的重要来源。然而，人类活动（如筑坝和城市化）对CH₄空间分布的影响仍知之甚少，这给准确评估区域碳预算带来了挑战。本研究调查了中国北部一条河流中CH₄浓度和排放的纵向变化规律。研究旨在阐明城市化和筑坝对CH₄通量动态的联合影响。结果显示，受水库影响和城市化河段的CH₄排放量约为上游河段的1.7至2.1倍（分别为3.30和2.64毫米摩尔/平方米·天，对比值为1.58毫米摩尔/平方米·天）。这些增加的CH₄排放量与细颗粒沉积物（淤泥比例）和叶绿素-a含量密切相关，而这些因素在受人类影响的河段最为显著。在这些河段，水流速度减缓和水体停留时间延长促进了细颗粒沉积物的沉积，导致富营养化现象的发生以及产甲烷菌的增殖，从而为厌氧条件下的CH₄生成创造了有利条件。此外，来自污水的有机碳输入不仅为产甲烷菌提供了丰富的底物，还导致了水体中溶解氧的减少，进而改变了产甲烷菌群落的结构和整体代谢途径，从好氧状态转向了厌氧状态。

关键要点

• 城市化及被拦截河段的CH₄通量比上游河段高出70%至110%

• 水流速度减缓促进了沉积物和养分的积累，从而增强了城市化及被拦截河段的产甲烷作用

• 随着人类活动影响的加剧，CH₄与CO₂的比例上升

利益冲突

作者声明与本研究无关的任何利益冲突。

数据可用性声明

本研究使用的所有数据，包括CH₄浓度、通量、水文参数和物理化学特性，均已存放在Zendo平台上，链接为：https://doi.org/10.5281/zenodo.15221359，采用Creative Commons Attribution 4.1 International许可协议。统计分析使用了R语言，该语言可在线免费获取：https://www.r-project.org。