湖泊与水库甲烷排放对气候变化的敏感性：未来排放预测与全球增温反馈

《Nature Water》：Future methane emissions from lakes and reservoirs

本研究针对气候变化对内陆水体甲烷(CH4)排放的影响这一关键科学问题，通过数据驱动的网格化模型预测了不同气候情景下全球湖泊和水库的CH4排放变化。结果显示，到2080-2099年，湖泊和水库CH4排放将增加24-91%（SSP1-2.6至SSP5-8.5情景），其中温度变化和季节性是主要驱动因素。这一发现强调了减缓气候变化的紧迫性，以避免内陆水体CH4排放大幅增加对全球变暖的正反馈作用。

　　

在全球气候变化背景下，甲烷(CH₄)作为一种重要的温室气体，其排放动态对全球变暖具有显著影响。尽管二氧化碳(CO₂)常成为关注焦点，但CH₄的全球增温潜能值在20年尺度上高达81±26（以质量计），且其在大气中的存留时间相对较短（约11年），这意味着CH₄排放的变化能够迅速而显著地加剧或减缓全球变暖。自1750年以来，大气CH₄浓度已增长2.6倍，其增长轨迹呈现出较大的年际和年代际变率，原因尚未完全明确。

淡水湖泊和水库的水体表面是全球重要的CH₄排放源，贡献了约10%的全球CH₄排放。这些排放主要源于缺氧沉积物中微生物对有机物的降解产生的CH₄。当CH₄产率超过溶解限度时，会形成气泡并快速上升至大气，这种排放途径称为气泡排放(ebullition)，通常是水体CH₄排放的主要方式。溶解于水中的CH₄则通过平流或湍流扩散等较慢的途径释放，其中大部分在到达水体含氧层时被微生物氧化消耗，剩余部分通过扩散通量释放。环境变化可通过多种途径影响湖泊和水库的CH₄排放，例如微生物产CH₄过程对温度尤为敏感，其随温度呈指数增长。此外，冰封期长度、营养负荷变化以及水体面积变化等也会显著调节CH₄排放。

然而，由于观测数据有限、过程复杂，准确评估和预测湖泊与水库CH₄排放对气候变化的响应一直存在挑战。为此，David Bastviken和Matthew S. Johnson等研究人员在《Nature Water》上发表了题为"Future methane emissions from lakes and reservoirs"的研究论文，旨在通过数据驱动的网格化模型，量化不同气候变化情景下未来全球湖泊和水库的CH₄排放变化。

研究人员整合了来自全球767个湖泊和水库的现场观测CH₄通量数据，结合多种潜在预测变量，建立了基于网络的模型。该模型考虑了温度效应、冰封物候、昼夜通量变化、水体类型以及季节性水体混合等因素，并纳入对未来水体面积和营养负荷（以磷为指标）变化的预估。模型覆盖了不同的生态气候区域（寒带-北极、温带、热带-亚热带）和湖泊类型（热喀斯特湖、冰川/后冰川湖、泥炭池塘、有机湖等），针对2000-2019年（现状）以及2020-2039年、2040-2059年、2060-2079年和2080-2099年（本世纪末）等时段，在四种共享社会经济路径（SSP1-2.6, SSP2-4.5, SSP3-7.0, SSP5-8.5）气候情景下进行了预测。

研究的关键技术方法包括：

1. 1.
   数据驱动的通量预测模型：基于现场观测的温度-CH₄通量关系（采用E_T = E₂₀ × θ^(T-20)方程），结合遥感反演的冰盖物候数据，预测未来通量。温度敏感性因子(θ)通过区域观测数据进行了优化约束。
2. 2.
   生态气候区域与水体面积划分：利用MERRA-2土壤温度数据界定生态气候区域，并整合多个遥感验证的水体面积数据集（包括面积<0.1 km2的小型水体）。
3. 3.
   未来气候情景输入：采用IPCC AR6中20个气候模型集合的月均近地表气温预测数据。
4. 4.
   不确定性分析：通过误差传播和区域观测数据优化，评估了模型预测的不确定性，重点约束了温度敏感性等关键参数的不确定性。

未来排放可能接近翻倍

模型预测表明，到本世纪末（2080-2099年），在不同SSP气候情景下，全球湖泊和水库的CH₄排放将显著增加。在低碳排情景（SSP1-2.6和SSP2-4.5，对应全球年均温升高1.5-2.6°C）下，湖泊和水库的总CH₄排放量预计将增加24-52%（从当前的59 Tg CH₄ yr^-1增至73-90 Tg CH₄ yr^-1）。而在高碳排情景（SSP3-7.0和SSP5-8.5，对应全球年均温升高3.8-4.7°C）下，排放量将增加80-91%，达到107-112 Tg CH₄ yr^-1。这意味着在最坏情况下，排放量几乎翻倍，其增量（53 Tg CH₄ yr^-1）相当于当前全球垃圾填埋、煤炭开采或石油化石天然气排放量级的10%增长。

水库排放增幅更大，不同因素贡献各异

研究发现，水库排放的增幅（124%）高于湖泊（81%），在高排放情景（SSP5-8.5）下，水库贡献了总排放增量的26%。这反映了湖泊和水库在全球分布、面积以及预测的温度、面积和营养负荷变化上的差异。温度相关的气候效应是未来通量预测中最主要的驱动因素。水体面积和营养负荷的变化对湖泊排放有调节作用，但对水库排放的联合影响更大。例如，规划中的水库面积增加在SSP1-2.6和SSP2-4.5情景下的效应与温度升高相当。值得注意的是，SSP5-8.5情景下预估的营养负荷低于SSP3-7.0情景，使得这两种情景下的总预测排放量更为接近。

不同生态气候区域的效应差异

在未来高纬度地区（寒带-北极），更长的无冰期分别贡献了湖泊和水库CH₄排放温度效应增量的9-33%和14-17%，而直接的温度敏感性效应仍是气候引起的通量增加的主导因素。冰盖持续时间缩短减少了高纬度地区冬季底层水中CH₄的积累时间，因此与冰消和春季水体翻转相关的排放预计将减少。相应地，北方温带至寒带-北极地区夏季变暖和无冰期延长影响了总排放的季节性模式。

预测显示，在所有气候情景下，高纬度地区的湖泊和水库排放因温度相关效应引起的相对增幅更大。这是由于温度升高、无冰期延长以及温带至北极地区巨大的湖泊面积共同作用的结果。然而，尽管热带和亚热带地区水体面积较小且预测的平均温度增幅较低，但其绝对通量变化贡献巨大。这凸显了全年持续排放以及温度指数响应（在较高起始温度下，每度变化产生的绝对效应更大）的重要性。因此，考虑所有纬度上气候对湖泊和水库CH₄排放的影响至关重要。

不确定性分析与未来展望

研究对结果的不确定性进行了深入分析。所有考虑因素的总传播不确定性对应于湖泊和水库排放的变异系数分别为60.7%和48.7%。其中，温度敏感性的不确定性最大，其次是原始通量数据的变异性，营养负荷变化的影响则位列第三。通过利用区域多系统观测数据优化温度敏感性因子，整体不确定性得以显著降低（变异系数约20%）。

研究也指出了当前预测的局限性，例如农业池塘和水产养殖池塘（已知的CH₄排放热点）未来面积可能增加，但由于缺乏准确的全球面积估算而未被纳入预测。水库涡轮机脱气排放虽重要，但更多与水库设计相关，未包含在本研究的环境变化响应评估中。长期的间接效应，如生态气候区域分布的变化等，也需未来研究关注。

结论与全球意义

本研究首次整合了现场观测的通量数据、温度敏感性、遥感冰盖物候、昼夜模式、水体翻转通量、生态气候区域差异、更新的小型湖泊面积数据以及既定的气候、湖泊面积和营养状况预测，对未来全球湖泊和水库水体表面的CH₄排放进行了全面评估。结果表明，气候变化将导致湖泊和水库CH₄排放显著增加（24-91%或14-53 Tg CH₄ yr^-1），且温度效应占主导地位。

这一发现与全球湿地CH₄排放预测（估计气候引起的排放增加20-60%）具有一致性，均显示出高纬度地区相对增幅最大，但低纬度地区绝对增量也很高的特点。在"一切照旧"的高排放情景（SSP5-8.5）下，湖泊、水库和湿地（合计约占大陆面积的10%）的气候效应很可能使本世纪末全球CH₄总排放增加超过25%。这种对先前未被充分认识的天然CH₄源的气候效应，凸显了未来气候变化可能比预期更具挑战性。

不同气候变化情景下的显著差异表明，湖泊和水库CH₄排放受人为温室气体排放量的强烈影响。因此，紧急减缓人为温室气体排放不仅本身至关重要，还能通过减轻未来与湖泊和水库CH₄排放相关的正反馈效应，带来额外的关键益处。这项研究强调了将内陆水体排放纳入全球碳循环和气候模型的重要性，并为制定更有效的气候变化减缓策略提供了科学依据。