LI-7810應(yīng)用案例：研究瀑布對(duì)甲烷“氧化-排放”路徑的重新分配效應(yīng)

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

為標(biāo)題發(fā)表在Communications Earth & Environment (IF=7.29)上 作者 | Rebecca L. Rust等

當(dāng)我們欣賞河流飛瀑之美時(shí)，往往不會(huì)想到，這樣的自然景觀竟然可能對(duì)全球溫室氣體排放產(chǎn)生影響。最新研究發(fā)現(xiàn)，瀑布不僅增強(qiáng)了局部甲烷（CH₄）排放，在特定條件下，還可能顯著提升整個(gè)流域的甲烷排放總量。

淡水系統(tǒng)為何值得關(guān)注？

盡管湖泊和河流等淡水環(huán)境僅覆蓋地球表面積的不到1%，它們卻是全球大氣甲烷的重要自然來源。研究表明：

• 全球淡水系統(tǒng)每年排放 CH₄ 約 8–73 Tg

• 其中，河流系統(tǒng)貢獻(xiàn)了約 26.8 Tg

這些甲烷大多源自河床沉積物中的微生物產(chǎn)甲烷，也可能包括地質(zhì)滲漏、農(nóng)業(yè)活動(dòng)等。當(dāng)甲烷溶解在水體中，其去向只有兩種：要么被微生物氧化，要么逸出到大氣中。

瀑布如何影響甲烷的“命運(yùn)”？

在沒有微生物氧化作用時(shí)，瀑布雖然提升了局部排放速度，但對(duì)區(qū)域甲烷總排放量影響不大。但如果河流中存在活躍的需氧甲烷氧化過程，瀑布可能會(huì)改變這一平衡。

本研究在美國紐約州西部九個(gè)瀑布點(diǎn)開展實(shí)地測(cè)量，重點(diǎn)關(guān)注兩個(gè)過程：

• 甲烷排放速率（與水體湍流和氣體交換有關(guān)）

• 甲烷氧化速率（微生物消耗 CH₄ 的過程）

研究發(fā)現(xiàn)：

湍流較弱區(qū)域，微生物氧化可去除高達(dá)55%的溶解甲烷；在瀑布區(qū)域，約88% ± 1% 的溶解甲烷迅速排放到大氣中，排放速率遠(yuǎn)高于氧化速率。

換句話說，瀑布通過增強(qiáng)氣體交換速率，使甲烷“繞過”了氧化過程，直接進(jìn)入大氣，從而在區(qū)域尺度上放大了甲烷排放。

瀑布對(duì)甲烷排放的影響

模擬兩種情境：揭示瀑布的關(guān)鍵作用

研究還設(shè)計(jì)了兩種理論情境，用于理解瀑布對(duì)整個(gè)流域排放的影響：

情境一：微生物氧化作用不顯著

瀑布僅提高局部排放速率，但不會(huì)改變整條河流系統(tǒng)的甲烷總排放量。類似搖晃一瓶汽水——釋放速度加快，但總氣體量不變。

情境二：氧化作用活躍

原本應(yīng)在下游被氧化的甲烷在瀑布處提前排放，導(dǎo)致整個(gè)河流系統(tǒng)的總排放增加。下游甲烷濃度降低，還會(huì)進(jìn)一步削弱氧化作用，形成放大效應(yīng)。

研究結(jié)果更符合第二種情境，說明瀑布確實(shí)可能在區(qū)域尺度上提升甲烷排放總量。

為什么湍流這么重要？

河水湍流不僅制造飛濺和泡沫，也會(huì)加快水-氣界面的氣體交換。研究中使用的“復(fù)氧系數(shù)”（Reaeration Coefficient）可量化這一過程，它決定了溶解氣體排放到大氣的速度。

在研究的瀑布區(qū)域，測(cè)得的復(fù)氧系數(shù)非常高，說明甲烷向大氣的轉(zhuǎn)化過程極快。更重要的是，這些點(diǎn)位的一致性表明：“88% 甲烷損失率”或可作為估算瀑布甲烷排放的通用參數(shù)。

全球背景：從瀑布到水壩，甲烷脫氣不容忽視

先前已有研究表明：

• 巴西 Balbina 水壩湍流區(qū)域，51% 的 CO₂ 脫氣發(fā)生于壩下游；

• 法屬圭亞那 Petit-Saut 水壩，水流通過壩體時(shí)釋放出 80–90% 的溶解甲烷；

• 一些研究還發(fā)現(xiàn)，河流坡度越大，CH₄ 和 CO₂ 排放越強(qiáng)。

本研究首次系統(tǒng)性地揭示了瀑布對(duì)甲烷“氧化-排放”路徑的重新分配效應(yīng)，并指出其可能在區(qū)域?qū)用骘@著改變排放格局。

展望：我們?yōu)楹涡枰�關(guān)注這些“點(diǎn)源”？

本研究強(qiáng)調(diào)，若要準(zhǔn)確評(píng)估淡水系統(tǒng)對(duì)全球甲烷預(yù)算的影響，不能忽視瀑布這類強(qiáng)湍流結(jié)構(gòu)的作用。

未來研究建議包括：

• 在不同氣候與水文條件下，進(jìn)一步監(jiān)測(cè) CH₄ 氧化速率與排放速率；

• 將“瀑布甲烷釋放百分比”納入全球模型，用于更準(zhǔn)確地估算 CH₄ 通量；

• 研究人造水利設(shè)施（如跌水、泄洪壩）在碳排放中的角色。

在全球溫室氣體減排的背景下，重新審視這些自然過程，不僅有助于構(gòu)建更精確的碳預(yù)算模型，也為制定氣候政策提供重要依據(jù)。

如何測(cè)量瀑布區(qū)域的甲烷排放？

為準(zhǔn)確評(píng)估瀑布區(qū)域甲烷（CH₄）排放特征，本研究盡可能在瀑布原位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。所有關(guān)于甲烷溶解分壓（pCH₄）和水溫的數(shù)據(jù)均在野外實(shí)時(shí)獲取。

與傳統(tǒng)“一次采樣、實(shí)驗(yàn)室分析”的方式不同，現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)采樣并即時(shí)測(cè)量能夠在每個(gè)點(diǎn)位獲取多組平均數(shù)據(jù)，也便于在發(fā)現(xiàn)異常（如取樣管位置不佳）時(shí)快速調(diào)整，提高了數(shù)據(jù)的代表性和可靠性。

從氣體分壓到濃度：如何換算？

由于分析儀器測(cè)得的是水氣平衡器中氣態(tài)的甲烷分壓（pCH₄），研究團(tuán)隊(duì)采用與溫度相關(guān)的甲烷溶解度系數(shù)，將分壓值換算為以「摩爾每升（mol/L）」為單位的溶解濃度，用于后續(xù)通量計(jì)算。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量設(shè)備與流程

 

 

水氣平衡測(cè)量系統(tǒng)和LI-7810測(cè)量數(shù)據(jù)

為適應(yīng)偏遠(yuǎn)河流區(qū)域的采樣需求，研究團(tuán)隊(duì)使用了一套便攜式水氣平衡測(cè)量系統(tǒng)，可背包或手提運(yùn)輸。系統(tǒng)核心由以下部分構(gòu)成：

水體采集與輸送

• 使用 Fimco 2.4 GPM 12V 高性能泵 抽取河水；

• 泵使用 Mighty Max 12V 22Ah 電池供電；

• 利用 5/16 英寸 PVC 軟管和閥門構(gòu)建可調(diào)水流旁通系統(tǒng)；

• 軟管通過 5–16 英尺可伸縮桿（Ettore）延伸至河流中心采樣。

水氣平衡器（Equilibrator）設(shè)計(jì)

河水通過噴嘴進(jìn)入水氣平衡器，提高水-氣界面表面積，加快平衡；

底部溢流后水體排出，但內(nèi)部空氣空間保持密閉，形成穩(wěn)定平衡環(huán)境；

甲烷濃度測(cè)量與循環(huán)系統(tǒng)

• 內(nèi)部空氣通過 1/8 英寸特氟龍硬管接入 LI-COR LI-7810 高精度CH₄/CO₂/H₂O分析儀；

• 儀器內(nèi)置泵將空氣抽取，通過 AF2-213 型水滴過濾器后進(jìn)入光腔測(cè)量；

• 分析后氣體返回平衡器，形成封閉循環(huán)系統(tǒng)，保證濃度穩(wěn)定；

水溫測(cè)量

使用 Omega HH41 溫度探針，放置于平衡器溢流盆中，水溫穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。

氣液平衡時(shí)間控制

CH₄ 在水氣平衡器中達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間取決于其溶解度和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：甲烷平均達(dá)到平衡所需時(shí)間為 9.5 分鐘。所有用于計(jì)算的甲烷濃度數(shù)據(jù)，均采自達(dá)到氣液平衡之后的穩(wěn)定讀數(shù)，確保了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

通過這套現(xiàn)場(chǎng)高頻采樣系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)不僅提高了測(cè)量效率，還顯著減少了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法可能帶來的樣品變性和數(shù)據(jù)誤差，從而更精確地揭示了瀑布區(qū)域 CH₄ 排放的真實(shí)特征。