研究背景
在全球变化研究中，河流、湖泊等内陆水体并非只是碳从陆地输送到海洋的通道，也是重要的碳转化与温室气体释放界面。进入水体的有机碳，一部分在水体中滞留埋藏，另一部分则通过微生物分解、厌氧产甲烷和气体扩散等过程转化为CO₂和CH₄，并释放到大气中。
在快速城市化地区，土地利用变化、生活污水输入、河网改造和营养盐富集会进一步改变水体理化环境与碳循环过程。然而，不同类型城市水体的温室气体排放差异及其驱动机制仍有待明确。
围绕这一问题，中国科学院南京地理与湖泊研究所程俊翔老师团队在国际期刊 《Science of the Total Environment》发表研究成果。研究以高度城市化地区苏州河湖系统为对象，开展 CH₄ 和 CO₂ 通量原位监测，并同步测定水体理化指标，系统揭示了不同类型城市水体温室气体排放的时空格局及主要驱动因素，为城市水体碳循环评估与排放管控提供了实测依据。
图1.苏州市土地覆盖图，展示了河流与湖泊的采样点位。根据汇水区内的主要景观组成，这42个采样点被划分为四种类型：城市（U）、农业（A）和混合（M）区域内的河流，以及湖泊（L）。
研究方法
研究区域：
苏州市，长三角核心城市，城市化率77%，水域面积占比34.6%。
采样时间：2021年5月、7月、9月（因疫情取消冬季采样）；
样点设置：
共42个断面：27条河流 + 5个湖泊；
根据流域景观类型划分：城市型河流（U）、农业型河流（A）、混合型河流（M） 和湖泊（L）；
数据采集与分析：
监测指标：CO₂和CH₄通量、水温、pH、DO、TDS、NH₃-N、TN、TP、COD、叶绿素a等；
统计分析：Pearson相关分析、逐步多元线性回归、热点分析（Getis-Ord Gi*）；
研究采用PS-3010超便携CH₄/CO₂土壤呼吸系统（北京理加联合科技有限公司），搭配微型便携式温室气体分析仪和水上浮体，实时监测水—气界面 CH₄、CO₂ 通量。测量时，将水上浮体置于水面，并连接密封箱盖、分析仪和控制系统，通过凹槽注水保证气密性。待系统稳定后采集数据，并依据气体浓度随时间变化的线性斜率筛选有效结果。
图2.用于水气界面测量的便携式温室气体通量收集装置示意图。
表1.苏州市域水网中不同类型河流和湖泊的平均温室气体排放量及其CO₂当量通量（平均值 ± 标准差）。U：城市河流；A：农业河流；L：湖泊；M：混合河流。
图3.不同月份CH₄通量（a、c、e）和排放热点（b、d、f）的空间特征。
图4.不同月份CO₂通量（a、c和e）和CO₂排放热点（b、d和f）的空间特征。
图5.针对苏州地区不同类型的河流和湖泊，开展了以（a）CH₄和（b）CO₂通量为因变量、环境因子为自变量的多重逐步回归分析。
研究结果
（1） 苏州河湖水体整体表现为CH₄和CO₂的排放源；
（2） CH₄平均通量表现为：农业河流 < 城市河流 < 混合景观河流 < 湖泊。
（3） CO₂平均通量表现为：农业河流 < 混合景观河流 < 城市河流 < 湖泊季节变化：
（4） 季节上，CH₄和CO₂通量总体在夏季较高，主要与高温促进微生物代谢、有机质分解及气体扩散有关；降雨输入的陆源有机物和营养盐也可能增强排放；
（5） 空间上，CH₄热点主要分布在湖泊及周边区域；CO₂热点多集中于城市河流和混合景观河流，靠近长江区域较为明显。农业河流在9月也可能出现局部排放高值；
（6） 驱动因素上，CH₄通量主要受TDS、NH₃-N、叶绿素a和水温影响；CO₂通量与TDS、透明度和TP关系较密切。NH₃-N对CH₄的影响在湖泊和混合景观河流中方向不同，提示氮素调控机制存在水体类型差异；
结语
该研究表明，高度城市化地区的河流和湖泊均可作为CH₄和CO₂的重要排放源，其中湖泊及城市化影响较强的河段具有更高的排放潜力。水体温室气体通量受水温、营养盐、溶解氧和水体理化条件共同调控，呈现明显的季节差异和空间异质性。未来，城市河湖管理不应仅关注水质改善，也应将温室气体通量监测纳入水生态评估体系。通过开展长期、连续和多要素协同观测，可进一步提升城市水体碳循环评估的准确性，为城市水环境治理和减排管理提供科学支撑。
发表期刊：Science of the Total Environment 【影响因子：8.0】
研究单位：中国科学院南京地理与湖泊研究所、中国科学院大学、洛桑联邦理工学院等
研究地点：苏州市城市水网
使用设备：PS-3010超便携CH₄/CO₂土壤呼吸系统
DOI：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.170689