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

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

當我們欣賞河流飛瀑之美時，往往不會想到，這樣的自然景觀竟然可能對全球溫室氣體排放產生影響。最新研究發現，瀑布不僅增強了局部甲烷（CH₄）排放，在特定條件下，還可能顯著提升整個流域的甲烷排放總量。

淡水系統為何值得關注？

盡管湖泊和河流等淡水環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：

• 全球淡水系統每年排放 CH₄ 約 8–73 Tg

• 其中，河流系統貢獻了約 26.8 Tg

這些甲烷大多源自河床沉積物中的微生物產甲烷，也可能包括地質滲漏、農業活動等。當甲烷溶解在水體中，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”？

在沒有微生物氧化作用時，瀑布雖然提升了局部排放速度，但對區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，瀑布可能會改變這一平衡。

本研究在美國紐約州西部九個瀑布點開展實地測量，重點關注兩個過程：

• 甲烷排放速率（與水體湍流和氣體交換有關）

• 甲烷氧化速率（微生物消耗 CH₄ 的過程）

研究發現：

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

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

瀑布對甲烷排放的影響

模擬兩種情境：揭示瀑布的關鍵作用

研究還設計了兩種理論情境，用于理解瀑布對整個流域排放的影響：

情境一：微生物氧化作用不顯著

瀑布僅提高局部排放速率，但不會改變整條河流系統的甲烷總排放量。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

原本應在下游被氧化的甲烷在瀑布處提前排放，導致整個河流系統的總排放增加。下游甲烷濃度降低，還會進一步削弱氧化作用，形成放大效應。

研究結果更符合第二種情境，說明瀑布確實可能在區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，也會加快水-氣界面的氣體交換。研究中使用的“復氧系數”（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。

在研究的瀑布區域，測得的復氧系數非常高，說明甲烷向大氣的轉化過程極快。更重要的是，這些點位的一致性表明：“88% 甲烷損失率”或可作為估算瀑布甲烷排放的通用參數。

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 水壩湍流區域，51% 的 CO₂ 脫氣發生于壩下游；

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

• 一些研究還發現，河流坡度越大，CH₄ 和 CO₂ 排放越強。

本研究首次系統性地揭示了瀑布對甲烷“氧化-排放”路徑的重新分配效應，并指出其可能在區域層面顯著改變排放格局。

展望：我們為何需要關注這些“點源”？

本研究強調，若要準確評估淡水系統對全球甲烷預算的影響，不能忽視瀑布這類強湍流結構的作用。

未來研究建議包括：

• 在不同氣候與水文條件下，進一步監測 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，用于更準確地估算 CH₄ 通量；

• 研究人造水利設施（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，不僅有助于構建更精確的碳預算模型，也為制定氣候政策提供重要依據。

如何測量瀑布區域的甲烷排放？

為準確評估瀑布區域甲烷（CH₄）排放特征，本研究盡可能在瀑布原位進行現場測量。所有關于甲烷溶解分壓（pCH₄）和水溫的數據均在野外實時獲取。

與傳統“一次采樣、實驗室分析”的方式不同，現場連續采樣并即時測量能夠在每個點位獲取多組平均數據，也便于在發現異常（如取樣管位置不佳）時快速調整，提高了數據的代表性和可靠性。

從氣體分壓到濃度：如何換算？

由于分析儀器測得的是水氣平衡器中氣態的甲烷分壓（pCH₄），研究團隊采用與溫度相關的甲烷溶解度系數，將分壓值換算為以「摩爾每升（mol/L）」為單位的溶解濃度，用于后續通量計算。

現場測量設備與流程

 

 

水氣平衡測量系統和LI-7810測量數據

為適應偏遠河流區域的采樣需求，研究團隊使用了一套便攜式水氣平衡測量系統，可背包或手提運輸。系統核心由以下部分構成：

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 軟管和閥門構建可調水流旁通系統；

• 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）設計

河水通過噴嘴進入水氣平衡器，提高水-氣界面表面積，加快平衡；

底部溢流后水體排出，但內部空氣空間保持密閉，形成穩定平衡環境；

甲烷濃度測量與循環系統

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

• 儀器內置泵將空氣抽取，通過 AF2-213 型水滴過濾器后進入光腔測量；

• 分析后氣體返回平衡器，形成封閉循環系統，保證濃度穩定；

水溫測量

使用 Omega HH41 溫度探針，放置于平衡器溢流盆中，水溫穩定后讀取數據。

氣液平衡時間控制

CH₄ 在水氣平衡器中達到穩定所需的時間取決于其溶解度和系統設計。實驗結果顯示：甲烷平均達到平衡所需時間為 9.5 分鐘。所有用于計算的甲烷濃度數據，均采自達到氣液平衡之后的穩定讀數，確保了數據的準確性。

通過這套現場高頻采樣系統，研究團隊不僅提高了測量效率，還顯著減少了傳統實驗方法可能帶來的樣品變性和數據誤差，從而更精確地揭示了瀑布區域 CH₄ 排放的真實特征。