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

为标题发表在Communications Earth & Environment (IF=7.29)上 作者 | Rebecca L. Rust等

当我们欣赏河流飞瀑之美时，往往不会想到，这样的自然景观竟然可能对全球温室气体排放产生影响。最新研究发现，瀑布不仅增强了局部甲烷（CH₄）排放，在特定条件下，还可能显著提升整个流域的甲烷排放总量。

淡水系统为何值得关注？

尽管湖泊和河流等淡水环境仅覆盖地球表面积的不到1%，它们却是全球大气甲烷的重要自然来源。研究表明：

• 全球淡水系统每年排放 CH₄ 约 8–73 Tg

• 其中，河流系统贡献了约 26.8 Tg

这些甲烷大多源自河床沉积物中的微生物产甲烷，也可能包括地质渗漏、农业活动等。当甲烷溶解在水体中，其去向只有两种：要么被微生物氧化，要么逸出到大气中。

瀑布如何影响甲烷的“命运”？

在没有微生物氧化作用时，瀑布虽然提升了局部排放速度，但对区域甲烷总排放量影响不大。但如果河流中存在活跃的需氧甲烷氧化过程，瀑布可能会改变这一平衡。

本研究在美国纽约州西部九个瀑布点开展实地测量，重点关注两个过程：

• 甲烷排放速率（与水体湍流和气体交换有关）

• 甲烷氧化速率（微生物消耗 CH₄ 的过程）

研究发现：

湍流较弱区域，微生物氧化可去除高达55%的溶解甲烷；在瀑布区域，约88% ± 1% 的溶解甲烷迅速排放到大气中，排放速率远高于氧化速率。

换句话说，瀑布通过增强气体交换速率，使甲烷“绕过”了氧化过程，直接进入大气，从而在区域尺度上放大了甲烷排放。

瀑布对甲烷排放的影响

模拟两种情境：揭示瀑布的关键作用

研究还设计了两种理论情境，用于理解瀑布对整个流域排放的影响：

情境一：微生物氧化作用不显著

瀑布仅提高局部排放速率，但不会改变整条河流系统的甲烷总排放量。类似摇晃一瓶汽水——释放速度加快，但总气体量不变。

情境二：氧化作用活跃

原本应在下游被氧化的甲烷在瀑布处提前排放，导致整个河流系统的总排放增加。下游甲烷浓度降低，还会进一步削弱氧化作用，形成放大效应。

研究结果更符合第二种情境，说明瀑布确实可能在区域尺度上提升甲烷排放总量。

为什么湍流这么重要？

河水湍流不仅制造飞溅和泡沫，也会加快水-气界面的气体交换。研究中使用的“复氧系数”（Reaeration Coefficient）可量化这一过程，它决定了溶解气体排放到大气的速度。

在研究的瀑布区域，测得的复氧系数非常高，说明甲烷向大气的转化过程极快。更重要的是，这些点位的一致性表明：“88% 甲烷损失率”或可作为估算瀑布甲烷排放的通用参数。

全球背景：从瀑布到水坝，甲烷脱气不容忽视

先前已有研究表明：

• 巴西 Balbina 水坝湍流区域，51% 的 CO₂ 脱气发生于坝下游；

• 法属圭亚那 Petit-Saut 水坝，水流通过坝体时释放出 80–90% 的溶解甲烷；

• 一些研究还发现，河流坡度越大，CH₄ 和 CO₂ 排放越强。

本研究首次系统性地揭示了瀑布对甲烷“氧化-排放”路径的重新分配效应，并指出其可能在区域层面显著改变排放格局。

展望：我们为何需要关注这些“点源”？

本研究强调，若要准确评估淡水系统对全球甲烷预算的影响，不能忽视瀑布这类强湍流结构的作用。

未来研究建议包括：

• 在不同气候与水文条件下，进一步监测 CH₄ 氧化速率与排放速率；

• 将“瀑布甲烷释放百分比”纳入全球模型，用于更准确地估算 CH₄ 通量；

• 研究人造水利设施（如跌水、泄洪坝）在碳排放中的角色。

在全球温室气体减排的背景下，重新审视这些自然过程，不仅有助于构建更精确的碳预算模型，也为制定气候政策提供重要依据。

如何测量瀑布区域的甲烷排放？

为准确评估瀑布区域甲烷（CH₄）排放特征，本研究尽可能在瀑布原位进行现场测量。所有关于甲烷溶解分压（pCH₄）和水温的数据均在野外实时获取。

与传统“一次采样、实验室分析”的方式不同，现场连续采样并即时测量能够在每个点位获取多组平均数据，也便于在发现异常（如取样管位置不佳）时快速调整，提高了数据的代表性和可靠性。

从气体分压到浓度：如何换算？

由于分析仪器测得的是水气平衡器中气态的甲烷分压（pCH₄），研究团队采用与温度相关的甲烷溶解度系数，将分压值换算为以「摩尔每升（mol/L）」为单位的溶解浓度，用于后续通量计算。

现场测量设备与流程

水气平衡测量系统和LI-7810测量数据

为适应偏远河流区域的采样需求，研究团队使用了一套便携式水气平衡测量系统，可背包或手提运输。系统核心由以下部分构成：

水体采集与输送

• 使用 Fimco 2.4 GPM 12V 高性能泵 抽取河水；

• 泵使用 Mighty Max 12V 22Ah 电池供电；

• 利用 5/16 英寸 PVC 软管和阀门构建可调水流旁通系统；

• 软管通过 5–16 英尺可伸缩杆（Ettore）延伸至河流中心采样。

水气平衡器（Equilibrator）设计

河水通过喷嘴进入水气平衡器，提高水-气界面表面积，加快平衡；

底部溢流后水体排出，但内部空气空间保持密闭，形成稳定平衡环境；

甲烷浓度测量与循环系统

• 内部空气通过 1/8 英寸特氟龙硬管接入 LI-COR LI-7810 高精度CH₄/CO₂/H₂O分析仪；

• 仪器内置泵将空气抽取，通过 AF2-213 型水滴过滤器后进入光腔测量；

• 分析后气体返回平衡器，形成封闭循环系统，保证浓度稳定；

水温测量

使用 Omega HH41 温度探针，放置于平衡器溢流盆中，水温稳定后读取数据。

气液平衡时间控制

CH₄ 在水气平衡器中达到稳定所需的时间取决于其溶解度和系统设计。实验结果显示：甲烷平均达到平衡所需时间为 9.5 分钟。所有用于计算的甲烷浓度数据，均采自达到气液平衡之后的稳定读数，确保了数据的准确性。

通过这套现场高频采样系统，研究团队不仅提高了测量效率，还显著减少了传统实验方法可能带来的样品变性和数据误差，从而更精确地揭示了瀑布区域 CH₄ 排放的真实特征。