原文以 Spatial Variability and Hotspots of Methane Concentrations in a Large Temperate River 為標(biāo)題發(fā)表在 Frontiers in Environmental Science上，
作者: Ingeborg Bussmann等
翻譯: 王軍、劉美玲、子毅
校對(duì)：徐粒、劉曉迪
 

人們?nèi)找骊P(guān)注內(nèi)陸水體，如湖泊、水庫、河流對(duì)全球 CH4的貢獻(xiàn)。然而，較少研究涉及流動(dòng)水體中的 CH₄ 動(dòng)態(tài)。

近來，溪流和河流作為大氣 CH₄ 的來源備受關(guān)注。與平衡態(tài)水體不同，這種“流動(dòng)”水體中存在“過飽和” 的CH₄，容易引發(fā)顯著的擴(kuò)散排放。然而，由于流動(dòng)水體CH₄排放的時(shí)空異質(zhì)性強(qiáng)，準(zhǔn)確量化這種 CH₄ 排放極具挑戰(zhàn)。這種擴(kuò)散排放的強(qiáng)度取決于水的湍流運(yùn)動(dòng)、氣體傳輸系數(shù)以及水和大氣之間的 CH₄ 濃度梯度。

水體中CH₄ 的輸入與損失，決定了水體中溶解的 CH₄ 濃度。河流中的沉積物處于厭氧環(huán)境中，會(huì)產(chǎn)生CH₄；另外，河岸地帶、洪泛平原和濕地也能向河流中輸送CH₄。在水中，微生物的 CH₄ 消耗相對(duì)緩慢，通過物理擴(kuò)散釋放到大氣是最重要的 CH₄ 損失途徑。另外，在有氧條件下，浮游植物也能介導(dǎo) CH₄ 的產(chǎn)生。

檢測(cè)河流中的CH₄ 輸入并不容易，此外，CH₄ 在河流中的停留時(shí)間較短。例如，有研究發(fā)現(xiàn)，CH₄在易北河（River Elbe）中存留不超過一天。CH₄ 在河水中的低溶解度加上其快速的水-氣交換，不同河段的 CH₄ 濃度存在明顯差異。

一般情況下，研究者們會(huì)使用離散采樣法，調(diào)查河流的CH₄釋放，反映其空間變異。這種方法的缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)點(diǎn)有限，時(shí)空分辨率較低。Maeck 等人（2013）發(fā)現(xiàn)，港口、筑壩河段、河道支流是CH₄ 排放的熱點(diǎn)區(qū)域，而這些區(qū)域有時(shí)會(huì)被忽略。因此，基于離散采樣法的取得的調(diào)查數(shù)據(jù)，在進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換時(shí)，存在很大的不確定性。

為此，研究者們沿德國易北河航行584 Km，同步測(cè)量了河流中溶解的以及大氣中的CH₄ 濃度。此外，他們還測(cè)量了相關(guān)的水文參數(shù)，取得了大約 4000 個(gè)高空間分辨率的數(shù)據(jù)點(diǎn)。該研究旨在揭示河流CH₄排放的空間異質(zhì)性，識(shí)別潛在的排放熱點(diǎn)。同時(shí)，研究者們還探討了大氣 CH₄ 濃度波動(dòng)對(duì)估算河流CH₄ 排放的影響。

使用LI-7810便攜式CH₄/CO₂/H₂O分析儀（LI-COR Biosciences, NE, USA）測(cè)定河道水面上方大氣中的CH₄和CO₂濃度。LI-7810采用光反饋-腔增強(qiáng)激光吸收光譜技術(shù)（OF-CEAS）。

LI-7810安裝在測(cè)量船的頂層甲板上，以1 Hz的采樣頻率進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。LI-7810校正了水汽稀釋效應(yīng)，直接輸出空氣中CH₄ 和CO₂ 的干摩爾濃度。

所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗(yàn)和標(biāo)記，剔除低質(zhì)量和無關(guān)值，如儀器預(yù)熱期間數(shù)據(jù)、港內(nèi)船舶停靠時(shí)的測(cè)量值等。篩選后的數(shù)據(jù)與GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行合并。

結(jié)果顯示，易北河中溶解CH₄的平均濃度為112 nmol L^-1，范圍在40~1456 nmol L^-1之間。

CH₄高濃度區(qū)域標(biāo)記為潛在排放熱點(diǎn)。數(shù)據(jù)顯示，熱點(diǎn)區(qū)域空氣中的CH₄濃度也較高，這表明對(duì)空氣中溫室氣體的濃度測(cè)量有助于發(fā)現(xiàn)排放熱點(diǎn)。

空氣中CH₄濃度的中位數(shù)為2033 ppb，濃度變化范圍在1821~2796 ppb之間。沿易北河河道，僅觀察到中等程度的數(shù)據(jù)波動(dòng)。支流對(duì)干流CH₄濃度的影響并不顯著。CH₄排放速率的中位數(shù)為251 μmol m^-2 d^-1，這將導(dǎo)致整個(gè)易北河每天向大氣中排放28640 mol d^-1的CH₄。

結(jié)果顯示，河道CH₄濃度存在橫向異質(zhì)性，即在丁壩處（Groin Construction）CH₄濃度高。丁壩處的沉積物和有機(jī)質(zhì)礦化，導(dǎo)致了高濃度的CH₄排放。

河流形態(tài)和結(jié)構(gòu)決定了其中溶解的CH₄濃度，使得易北河上游CH₄濃度變化平穩(wěn)而下游變化很大。丁壩是繼水壩之后的又一種人工基建設(shè)施，其可顯著增加河流的溫室氣體排放。

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原文中的主要數(shù)據(jù)圖