全球浅水湖泊的甲烷排放：分布特征、主要驱动因素及减排策略

《Journal of Cleaner Production》：Methane emissions from global shallow lakes: Patterns, key drivers, and mitigation strategies

浅湖甲烷平均排放通量为3.41±2.08 mg·m?2·h?1，总排放量29.66 Tg·yr?1，其中56%通过气泡排放，温度敏感性高于扩散。低纬度、面积<1 km2、水深<2 m、富营养化指数>61.29的浅湖排放显著更高（p<0.01）。TN和TP浓度是主要驱动因素，全球减少10%-50%的TN和TP可降低甲烷排放11%-44%。控制TN比TP更有效，尤其在低纬度、小型、贫氧富营养湖中。

　　

熊荣伟|李勇|陈明|黄金泉|薛艳

教育部浅湖综合调控与资源开发重点实验室，河海大学环境学院，南京，210098，中国

摘要

浅湖主要位于人类活动频繁的地区，通常具有不同的营养污染程度和气候敏感性。这些变化的环境条件常常驱动湖泊中甲烷（CH₄）的产生和排放的复杂多变过程，导致全球估算存在显著不确定性。本研究系统分析了全球浅湖（水深≤6米）的CH₄排放模式及其驱动因素，并量化了可实现的减排潜力。结果显示，收集到的浅湖平均CH₄排放通量为3.41 ± 2.08 mg m^?2 h^?1，全球总排放量估计为29.66 Tg yr^?1。其中，沸腾作用是主要排放途径（占56%），且其排放量对温度的依赖性大于扩散作用。相比之下，面积较小（<1 km²）、水深较浅（<2 m）、低纬度（<30°）以及富营养化程度较高（富营养化指数>61.29）的湖泊表现出显著更高的CH₄通量（p < 0.01）。湖泊中的总氮（TN）和总磷（TP）浓度以及当地气温是控制CH₄通量的关键因素。预计全球总氮和总磷减少10%–50%可分别使CH₄通量和排放量减少11%–38%和12%–44%。在低纬度、面积较小、水深较浅且富营养化程度较高的湖泊中，控制总氮比控制总磷更有效。这项研究进一步加深了对全球浅湖CH₄排放模式的理解，并为加速应对环境变化提供了潜在的可持续管理策略。

引言

全球大多数湖泊生态系统被认为是甲烷（CH₄）的重要自然排放源（Kirschke等人，2013；Rosentreter等人，2021），尽管它们仅占全球陆地面积的3.7%（Verpoorter等人，2014），但贡献了20%–32%的天然CH₄排放量。值得注意的是，近89%的全球湖泊为浅湖（平均水深<6米）（Graeber等人，2024），气候变暖和积累的营养物质极大地增强了CH₄的产生和排放（Emilson等人，2018），使其成为排放热点。此外，由于水深较浅，这些湖泊对自然环境变化和人类活动的加剧更为敏感（Li等人，2020）。这些变化的环境条件驱动了复杂的CH₄产生和排放过程，导致全球湖泊CH₄排放量估算存在显著不确定性。

浅湖中的CH₄排放模式通常随气候、水文、水动力和湖泊形态而变化。气候变暖提高了沉积物温度，特别是在浅湖中，促进了甲烷菌的活动（Lu等人，2022），导致CH₄排放通量存在纬度差异（Natchimuthu等人，2016）。沿海拔梯度下降的大气压力通过降低气体溶解度和缩短在水体中的停留时间促进了CH₄的沸腾作用（Iwata等人，2020）。降雨事件通过降低水温并稀释产甲烷底物来抑制CH₄排放，使降雨后的CH₄通量比降雨前减少了近一半（Niu等人，2025）。随着水深的增加，CH₄通量减少（West等人，2016），因为CH₄在水体中传输过程中有更长的氧化时间，使得甲烷氧化菌能够消耗更多的CH₄（Li等人，2020）。同样，较大的湖泊面积与较低的CH₄排放强度相关，因为开阔水域中的风驱动湍流增强了深层混合和氧气渗透，从而加速了甲烷的有氧消耗。

人类活动，尤其是改变湖泊营养水平的活动，被认为是影响浅湖CH₄排放的关键因素（Liu等人，2025）。农业耕作和施肥以及城市污染排放大量增加了氮、磷和有机物等营养物质进入下游浅湖（Ji等人，2024；Zhou等人，2022）。升高的营养物质浓度与随之而来的缺氧现象协同作用，进一步促进了沉积物中的甲烷生成，同时可能抑制了水体中的甲烷氧化菌（Liu等人，2025；Lv等人，2025）。先前的研究表明，CH₄排放量与湖泊营养指数呈指数增长关系（Zhou等人，2020），并与氮和磷浓度密切相关（Beaulieu等人，2019）。此外，一些旨在减少营养物质的恢复措施也显示出巨大的潜在效果。例如，生态恢复措施（如疏浚（Nijman等人，2022）、改道引水（Tang等人，2025）、水生植被恢复（He等人，2025）和流域污染控制（Xiao等人，2020）有效降低了某些浅湖的营养物质水平，甚至改变了它们的形态和水动力特征（如水深），从而将CH₄排放量减少了11.27%–74%。因此，从全球角度来看，系统量化CH₄排放模式及其驱动因素，特别是由人为改变的营养水平引起的排放变化，对于可靠评估全球浅湖CH₄排放量和制定有效的减排策略至关重要。

本研究综合了全球范围内的CH₄通量数据以及相应的湖泊气象（面积和深度）、气候（温度、降水量、气压和风速）、水质指标（溶解氧（DO）、总氮（TN）、总磷（TP）和叶绿素a（Chl a））以及土地利用（耕地和城市土地覆盖比例）参数。其目标是：（a）调查全球浅湖的CH₄通量模式；（b）识别自然（气候、水文、形态）和人为因素（尤其是营养富集）对CH₄排放的相对贡献和相互作用；（c）量化全球浅湖的CH₄排放量及其通过营养管理策略实现的减排潜力。这项研究将为气候变化和各种湖泊管理下的CH₄排放控制提供重要的科学基础。

全球浅湖CH₄通量数据集构建

在本研究中，平均水深小于6米的湖泊被定义为浅湖。这一深度阈值在许多先前的研究中也得到了广泛应用（Graeber等人，2024；Yu等人，2025）。根据HydroLAKES数据库（www.hydrosheds.org），共有1,267,347个全球湖泊符合这一标准，约占所有陆地湖泊的89%。

通过系统文献回顾，汇编了选定浅湖的水-气界面的CH₄通量数据

浅湖中的CH₄排放特征

对全球通量数据集（附录B中的表S2）的分析显示，CH₄通量范围为0.05至49.14 mg m^?2 h^?1，平均值（±标准差）为3.41 ± 2.08 mg m^?2 h^?1（图2a），这些通量随湖泊水深、富营养化程度和纬度的不同而有很大差异。水深为0–2米的湖泊平均通量显著较高（4.25 mg m^?2 h^?1），分别比水深为2–4米（3.37 mg m^?2 h^?1）和4–6米（3.18 mg m^?2 h^?1）的湖泊高出26%和34%（图2b）。

全球浅湖中的CH₄排放模式

本研究显示，全球浅湖的平均CH₄排放率为3.41 mg m^?2 h^?1（图2a），约为先前记录的全球湖泊平均通量的2.62–3.00倍（Johnson等人，2022；Zheng等人，2022）。尽管这些浅湖仅占全球湖泊面积的33.20%，但它们贡献了全球湖泊总排放量的54.72%–71.30%（41.6–54.2 Tg CH₄ yr^?1，根据Johnson等人（2022）和Zheng等人（2022）的报告），以及内陆水生系统排放量的7.45%

结论

本研究系统评估了全球浅湖的CH₄排放模式、其驱动因素以及通过营养控制减少CH₄排放的潜力。结果表明，全球浅湖的平均CH₄排放通量为3.41 mg m^?2 h^?1，总排放量估计为29.66 Tg CH₄ yr^{?1₄排放的主要途径}

CRediT作者贡献声明

熊荣伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，正式分析。李勇：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，资金获取，概念构思。陈明：数据管理。黄金泉：资源支持，方法学研究。薛艳：方法学研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（编号：51879081）、中央高校和世界一流学科建设基金以及中央高校特色发展引导基金（编号：B22017010204）的支持。