Nature | 全球河流与溪流的甲烷排放

生命的智慧 · 公众号 · · 2024-09-21 00:00

主要观点总结

本文介绍了全球河流和溪流中的甲烷排放研究。使用全球河流甲烷数据库（GRiMeDB）和随机森林机器学习模型对全球河流与溪流中的甲烷含量进行建模和精确估计。文章主要讨论了甲烷排放的空间分布、季节性变化及其主要驱动因子。文章强调了河流生态系统对气候变化的敏感性，并指出了甲烷排放对全球气候的重要影响。

关键观点总结

关键观点1: 研究背景与目的

全球变暖导致淡水生态系统甲烷排放增加，对全球气候产生正反馈效应。为了更准确地了解全球碳收支，需要对全球河流和溪流的甲烷排放进行更精确的估计。

关键观点2: 研究方法与数据

使用包含超过24000个甲烷含量观测值和超过8000个甲烷通量值的全球河流甲烷数据库（GRiMeDB）。采用随机森林机器学习模型对全球河流与溪流的甲烷含量进行建模，并使用模型进行季节性和空间性的精确估计。

关键观点3: 主要结果

来自流动水体的甲烷排放每年约为27.9Tg，与其他淡水系统相当。河流甲烷排放对温度的依赖性不强，其平均活化能低于湖泊和湿地。全球甲烷排放格局在高纬度和低纬度环境以及人类主导的环境中具有大通量。

关键观点4: 研究结果的意义

强调了陆地-水连接在调节流动水体中甲烷供应的重要性。流动水体不仅容易受到人类直接改变的影响，而且容易受到陆地上几种气候变化响应的影响。

正文

甲烷(CH ₄ )是一种强效的温室气体，有证据表明，全球变暖增加了淡水生态系统的甲烷排放，对全球气候起到了正反馈作用。然而，对于河流和溪流，碳排放的控制和大小仍然高度不确定。Rocher-Ros等人（2023年）在Nature上发表论文“Global methane emissions from rivers and streams”。该论文报告了一个空间上明确的全球CH ₄ 排放估算，提高了我们对于全球碳收支的认知。

文章简介

材料方法：

使用包含超过24000个CH ₄ 含量观测值和超过8000个CH ₄ 通量值的数据库（Global River Methane database, GRiMeDB），使用随机森林机器学习模型模型，对全球CH ₄ 含量进行建模（R ² 为0.45-0.68）。使用模型进行了季节性和空间性的全球河流与溪流CH ₄ 排放的精确估计，并且识别了全球尺度下流动水体CH ₄ 含量和通量的主要驱动因子。

图1 全球河流和溪流CH ₄ 分布格局。 a, b模拟河流和溪流年均甲烷浓度(a)和排放通量(b)。数据以正六边形网格表示，每个正六边形的大小都根据径流进行了重新缩放。年径流量大于1500毫米的地区是全尺寸六边形；在年径流量为500毫米的地区，六边形减少了10%；年流量小于50毫米的六边形减少了50%。该模型不适用于格陵兰岛和南极洲，它们以深灰色显示。

结果表明：

• 来自流动水体的CH ₄ 排放为每年27.9 (16.7-39.7) Tg，其量级与其它淡水系统大致相等。

• 河流CH ₄ 排放对温度的依赖性不强，其平均活化能( E _M = 0.14 eV)低于湖泊和湿地( E _M = 0.96 eV)。

• 全球CH ₄ 排放格局的特点是在高纬度和低纬度环境中以及在人类主导的环境中具有大通量。这些模式可以用在河流栖息地及其附近的缺氧有关的地理和气候特征来解释，包括与水文连接的土壤中有机质的高供应和水饱和度。

• 研究结果强调了陆地-水连接在调节流动水体中CH ₄ 供应的重要性，流动水体不仅容易受到人类直接改变的影响，而且容易受到陆地上几种气候变化响应的影响。

研究结果

图2 溪流中CH ₄ 含量的主要驱动因素。 a、随机森林模型中最重要的20个变量。x轴表示所有月度模型的重要性中位数(n=12)，误差线表示标准差(s.d)；注：x轴进行了平方根变换。每个柱子内的线是偏依赖关系，它表示给定特征(x轴)对预测CH ₄ 浓度(y轴)的边际效应。这些线是简化版。b、GRiMeDB中一些站点类别的CH ₄ 浓度被排除在模型之外，因为它们没有在水文模型中被捕获，或者是不代表流域特性的目标观测值。底层阴影点代表GRiMeDB中的所有其它观测值，虚线代表平均值。每个类别都用颜色编码，黑点和实线代表平均值±标准差。

图3 CH ₄ 排放的季节分布格局。 左图：每个纬度带(10°)每月CH ₄ 排放总量，颜色代表河流总面积。右图：各纬度带的年总排放量。在左图中，y轴是平方根变换，色阶是对数变换。

图4 扩散性CH ₄ 排放的温度依赖性。 a、水温和GRiMeDB中测量的扩散CH ₄ 排放的相关性（按纬度分级设色）。实线表示对于有超过20个观测值的站点线性拟合，黑色实线是所有数据的线性模型。黑色虚线表示参考文献中其它水生系统平均活化能的斜率。x轴显示参考文献的标准化温度，其中 k 为玻尔兹曼常数， T 为开尔文水温， T _c 为15°C。色标显示了纬度绝对值。b、河流(本研究)和参考文献中编制的其他淡水系统的表观活化能的核密度图(y轴表示观测的相对数量)，即a中线的斜率。垂直虚线表示x为零的截距。

参考文献

Rocher‐Ros, G., Stanley, E.H., Loken, L.C., Casson, N.J., Raymond, P.A., Liu, S., Amatulli, G., & Sponseller, R.A. (2023). Global methane emissions from rivers and streams. Nature, 621, 530 - 535.

创作人：杨润涵

中国科学院南京地理与湖泊研究所