城市河流-湖泊系统中温室气体通量的对比：甲烷（CH4）的扩散排放被氮氧化物（N2O）的吸收所抵消

时间：2026年5月28日

来源：Environmental Research

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田晓康|刘梦琳|徐俊勇|孙怀伟|叶晨|李思月湖北工业大学环境生态与生物工程学院，长江中游生物元素微生物转化与调控重点实验室，磷资源绿色高效开发国家重点实验室，武汉430205，中国摘要城市水生系统是全球温室气体（GHG）预算中重要的但研究不足的贡献者。特别是在经历快速城市化的半自

田晓康|刘梦琳|徐俊勇|孙怀伟|叶晨|李思月

湖北工业大学环境生态与生物工程学院，长江中游生物元素微生物转化与调控重点实验室，磷资源绿色高效开发国家重点实验室，武汉430205，中国

摘要

城市水生系统是全球温室气体（GHG）预算中重要的但研究不足的贡献者。特别是在经历快速城市化的半自然河流-湖泊系统中，这一问题更为突出。本研究调查了中国一个城市河流-湖泊系统中甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）扩散通量的时空变化及其影响因素。通过顶空平衡法收集了溶解态的CH₄和N₂O，并通过偏最小二乘路径模型分析了这些气体的分布规律及其控制因素。研究发现CH₄和N₂O的通量存在显著的时空异质性。Qingshangang河（QSG）的CH₄通量是Lihu河（LH）的3.2倍（分别为32.81 ± 34.84 μmol m⁻² d⁻¹和10.15 ± 8.15 μmol m⁻² d⁻¹），而N₂O通量则表现出明显的源汇转变：QSG为净源（3.23 ± 4.14 μmol m⁻² d⁻¹），LH为净汇（−2.66 ± 1.99 μmol m⁻² d⁻¹）。CH₄通量在雨季（QSG：42.34 ± 37.61 μmol m⁻² d⁻¹；LH：17.39 ± 8.48 μmol m⁻² d⁻¹）显著高于旱季（QSG：21.28 ± 55.93 μmol m⁻² d⁻¹；LH：2.47 ± 1.39 μmol m⁻² d⁻¹）。QSG的N₂O通量在雨季（4.22 ± 4.70 μmol m⁻² d⁻¹）也高于旱季（2.23 ± 3.57 μmol m⁻² d⁻¹），而在LH中则相反，雨季通量（−4.09 ± 2.86 μmol m⁻² d⁻¹）明显低于旱季通量（−1.24 ± 0.52 μmol m⁻² d⁻¹）。CH₄通量主要受营养物质种类调控，而N₂O通量则更受水质参数的影响。水生植被显著减少了CH₄的排放，但对N₂O的排放影响甚微。研究表明，在100年的全球变暖潜力时间框架内，该城市景观湖泊整体表现为碳汇。这些发现强调了高分辨率、特定地点评估对于准确核算温室气体和制定有效缓解策略的重要性。

引言

越来越多的证据表明，内陆水域是甲烷（CH₄）和一氧化二氮（N₂O）排放的重要来源，年排放量分别为95 Tg CH₄和1.48 Tg N₂O——约占水生生态系统二氧化碳排放总量的60%（Bhushan等人，2024年；Song等人，2024年；Wang等人，2020年；Zhang等人，2022年；Zheng等人，2022年）。例如，Marescaux等人（2018年）报告称塞纳河流域的年N₂O排放量为99 Gg CO₂ eq yr⁻¹，CH₄排放量为7 Gg CO₂ eq yr^{−1₂O和23.8 Gg CH₄，占全球年排放量的约0.3%–0.7%。虽然在全球范围内河流主要是N₂O的来源，但在某些地区和时间段内，河流会成为N₂O的净汇（Beaulieu等人，2010年；Nakagawa等人，2019年；Webb等人，2019年）。这给温室气体（GHG）预算的量化带来了重大挑战。}

尽管半自然河流-湖泊系统正在经历快速城市化，但相关研究仍严重不足，尽管这些系统面临着独特的生态扰动和潜在的温室气体排放增加。强烈的人为活动（如废水排放和土地利用变化）加剧了这些城市水域的富营养化和污染。此外，城市水生系统的温室气体排放具有明显的时空异质性，使得传统的大规模模型难以准确描述其变化。因此，高分辨率监测对于捕捉这种变异性至关重要。与非流动湖泊不同，相互连接的河流-湖泊系统具有较高的水动力变异性，尤其是在支流与相邻流域复杂交互的浅水区域（Wang等人，2015年）。这些系统的生态和生物地球化学过程各不相同，可能导致显著的温室气体排放差异。Wang等人（2023年）发现，城市河流的二氧化碳排放量是湖泊的2.7倍，甲烷排放量是湖泊的11.9倍（Wang等人，2023b）。相反，由于氮素供应有限和溶解氧浓度较高，城市水网络的氮氧化物排放量通常较低（Wang等人，2024a）。了解这些系统的排放特征和决定因素对于在区域和全球范围内准确量化和管理温室气体排放至关重要。

城市景观水体经常受到人类活动的强烈改造，包括为恢复目的广泛种植沉水植物。沉水植物具有双重作用——吸收营养物质和碳以减轻富营养化，同时影响温室气体排放。促进大型水生植物主导的管理策略可能显著减少排放（Aben等人，2022年；Hendriks，2025年）。然而，Mu等人（2024年）发现，在高营养条件下，大型水生植物的恢复增加了23.7%的CH₄排放，但在低营养环境中减少了94.7%的CH₄排放。这些发现表明，沉水植物对气体排放的影响具有双重性和依赖性。需要更多研究来阐明城市景观水系统的碳预算。

本研究聚焦于一个大都市内的河流-湖泊系统。研究目标是：（1）描述该城市河流-湖泊系统中CH₄和N₂O交换通量的日变化；（2）探讨CH₄和N₂O通量的季节性和空间变化及其影响因素。这些发现有助于更好地理解以沉水植被为主的河流-湖泊系统的温室气体排放情况，从而为实现碳中和目标提供有针对性的缓解策略。

章节摘录

研究区域

该河流-湖泊系统位于武汉（北纬29°58′15″–31°22′30″，东经113°41′42″–115°05′08″），这里是湖北省的省会，位于长江中游。这座大都市面积为8,569.2平方公里，其中约25%为水域，拥有众多河流、湖泊和水库。武汉被认证为国际湿地城市，其湖泊被视为宝贵的湿地文化遗产。这些湖泊不仅具有重要的湿地

关键水质参数的动态变化

在雨季和旱季的日间时段（08:00–18:00），水温（T_water）、空气温度（T_air）和溶解氧浓度（Uz）均呈现单峰分布（图S1）。pH值、溶解氧（DO）和溶解氧百分比（DO%）均逐渐增加（图S1）。值得注意的是，COD_Mn和叶绿素a（Chl-a）的日变化表现出明显的季节性差异：即，在雨季浓度持续上升，而在旱季则呈现先上升后下降的趋势（图S1和S2）。电导率（EC）在雨季呈下降趋势，相比之下

QSG–LH连续体中的CH₄和N₂O通量动态

结果表明，CH₄浓度和通量在11:00至12:00之间达到峰值（图4）。先前的研究也证实了温度升高会增强气体传输，从而增加CH₄的释放（Chen等人，2021年）。然而，在雨季，Q3站点中午的通量下降表明生物调节作用显著：强烈的光合作用增加了表面溶解氧浓度，进而通过CH₄氧化抑制了净CH₄排放

结论

我们的研究结果表明，城市河流-湖泊系统中CH₄和N₂O通量存在显著的时空异质性，N₂O表现出明显的源汇转变。研究中的城市景观湖泊被确定为碳汇。整个系统的平均CH₄通量为21.48 ± 20.95 μmol m^-2 d^-1，N₂O通量为0.28 ± 3.21 μmol m^-2 d^{-1》。河流（QSG）的CH₄排放量显著高于湖泊（LH），而湖泊LH的N₂O通量表现为汇。}