非洲与欧洲河流中的甲烷氧化取决于河流规模与湿地连通性

《SCIENCE ADVANCES》：Methane oxidation in African and European rivers depends on stream size and wetland connectivity

　　

河流是甲烷（CH₄）的大型自然排放源，其排放量由产甲烷作用的输入与甲烷氧化的去除量之间的净平衡决定。研究人员利用从非洲和欧洲河流收集的广泛数据集，探讨了甲烷氧化的空间模式及变异性成因。流经泛滥森林的非洲河流具有最高的MOX速率，且该速率随河流集水区面积的增大而增加。在大型河流中，与向大气的扩散脱气相比，MOX代表了溶解性河道内CH₄去除的更重要途径；但在小型河流中这一相对比例极小，且平均而言非洲河流（37%）的这一比例高于欧洲河流（9%）。MOX速率与总悬浮物、pH值或溶解性营养盐浓度等潜在驱动因素的关系，并未遵循文献中受控实验所预期的模式，而是反映了由河流规模和湿地连通性驱动的、跨越所研究河流网络内部和之间的广泛空间模式。

河流向大气排放的甲烷（CH₄）是全球甲烷收支中重要的组成部分。当前全球河流CH₄排放量的估计值（约28 Tg CH₄ year^?1）占全球最大自然来源淡水湿地排放量的约18%，且与全球湖泊CH₄排放量相当。河流的扩散性CH₄通量反映了河床产甲烷作用产生CH₄与通过微生物甲烷氧化去除CH₄之间的平衡。尽管MOX在去除溶解性CH₄中的相对重要性存在差异，但其在河流网络中的大尺度变化及潜在驱动因素仍缺乏深入约束。与已知的依赖于沉积物特性和温度的河床产甲烷作用不同，这一知识空白限制了研究人员预测河流MOX如何响应全球变暖和富营养化，进而影响评估未来河流CH₄排放的轨迹。以往受控实验表明MOX通常随溶解性CH₄、水温、溶解性无机氮和总悬浮物（TSM）的增加而增加，并受光照、高溶解性NH₄⁺和NO₂^?以及低pH值的抑制。然而，这些基于受控实验得出的结论是否能直接外推至河流生态系统尺度尚不清楚。研究人员在非洲和欧洲的河流中开展了广泛的调查，旨在表征MOX速率的空间变化，测试多种生物地球化学变量对MOX速率的影响，并评估湿地连通性和河流规模对MOX相对贡献的系统性影响。该研究成果已发表在《SCIENCE ADVANCES》上。此项研究显著推进了对河流网络中MOX大尺度空间变异性的理解，强调了将洪水脉冲概念与河流连续体概念相结合以预测未来河流CH₄动态的必要性。

在关键技术方法方面，研究人员在非洲（刚果河流域及相关湖泊集水区）和欧洲（默兹河和斯海尔德河流域）的广泛河流网络中进行了多次采样，共获得262个MOX速率测量数据。研究采用顶空平衡法结合气相色谱仪测量溶解性CH₄浓度，通过黑暗条件下的序列培养实验计算MOX速率和表观速率常数（K）。利用气相同位素比值质谱仪（EA-IRMS）分析颗粒有机碳（POC）及其碳同位素组成（δ¹³C-POC）。基于雷利同位素分馏模型估算了CH₄被氧化的比例，并通过对未过滤水样与5.0-μm过滤水样进行¹³CH₄示踪剂培养，区分了附着于颗粒的甲烷氧化菌对MOX的贡献。数据处理采用了分位数回归和非参数统计检验进行分析。

MOX rates increase with river size and connectivity with flooded forest
研究人员对流经刚果盆地中央洼地泛滥森林的河流（CCC）、其他非洲河流及欧洲河流进行了对比。结果显示，CCC河流的溶解性CH₄浓度和MOX速率最高。在CCC河流中，MOX速率随集水区面积和河流级别的增加而下降，而在非CCC的欧洲河流中MOX速率随河流规模增大而增加。研究发现，水体中的垂直积分MOX速率在源头河流中显著高于沉积物，而在大型河流中两者相当。MOX速率与溶解性CH₄浓度呈非线性正相关，表观速率常数在CCC河流中最高，这归因于泛滥森林土壤向河流更强的甲烷氧化菌接种效应。CCC河流中部分POC样品极度贫¹³C，且具有低POC:PN比值，进一步证实了MOB对POC库的巨大贡献。人类活动如河岸硬化导致欧洲河流的K值较低。

Variations of the MOX apparent rate constant do not follow patterns from controlled experiments and reflect broad spatial variations at the network scale
研究发现，表观速率常数与水温呈正相关，但在将K值标准化至25°C后，这种关系依然存在，表明温度并非跨大陆数据集中K值变化的主要驱动因素。在整个数据集中，K值与溶解氧（O₂）、营养盐（PO₄^3?、NH₄⁺、NO₂^?和DIN）、pH值及TSM呈负相关。这些观测关系与受控实验得出的营养盐限制、最适中性pH及颗粒附着促进MOX的预期相矛盾。在欧洲河流中，K值与NH₄⁺和NO₂^?呈正相关，且>5 μm的颗粒附着MOB贡献了54至96%的MOX，这反映了土壤-河流输入的共同变化。研究指出，这些空间变异模式难以由微宇宙实验外推，需结合河流连续体概念与洪水脉冲概念进行网络尺度的群落动态框架解释。

Contribution of MOX to total dissolved CH4 removal increases with river size
MOX对水柱中总溶解性CH₄去除（包括MOX和向大气的扩散脱气）的贡献（MOX_removal）范围为0.01至91.6%。在非洲河流中，MOX_removal随河流级别增加而显著上升，在较大型河流中中位数高达75%以上。基于刚果盆地流域面积加权计算，非洲河流MOX_removal的中心值为36.6%，而受人类活动干扰较多的欧洲河流仅为8.9%。研究发现MOX_removal随水深和集水区面积增加而增加，随气体传递速率k₆₀₀增加而降低。低级别河流虽然主导了河流扩散排放的75%以上，但其MOX_removal极低（<5%），这意味着全球变暖或富营养化驱动的MOX变化对总体低级别河流的扩散排放影响有限。

总结讨论部分，研究人员表明河流水柱中的MOX速率在低地系统中与沉积物相当，在源头河流中甚至更高。温度并未显著解释非洲与欧洲河流间K值的差异，预示未来变暖可能仅对MOX产生微弱影响。相反，变暖可能通过促进气泡排放使更多沉积物产生的CH₄绕过水体MOX。富营养化对MOX的影响较为复杂：溶解氧降低和浮游植物驱动的TSM增加可能促进MOX，而营养盐增加可能作用微小或无变化。低级别河流是CH₄扩散排放的主要来源但MOX去除贡献极低，因此气候变化驱动的MOX变化不太可能实质性地改变河流总体CH₄扩散排放轨迹。