数字化和能源转型政策对中国城市能源反弹效应的影响：基于双重机器学习的因果识别

《Journal of Environmental Management》：The impact of digitalization and energy transition policies on urban energy rebound effects in China: A double machine learning-based causal identification

本研究针对长江下游巢湖，通过季节性和垂直动态分析，揭示了富营养化浅层湖泊中好氧甲烷氧化（MOR/SMOR）的驱动机制及减排效应，发现Type II甲烷氧化菌（Methylocystis/Methylosinus）占主导，夏季及底层水氧化活性最强，可有效降低62%-76%的扩散型CH4排放。

　　

张楠|魏文新|李磊|曹志鹏|王彤|钟继成|袁和忠|刘成|张磊

中国科学院南京地理与湖泊研究所湖泊与流域科学国家重点实验室，南京，211135，中国

摘要

人为富营养化和全球变暖使得浅水湖成为大气中CH₄的重要自然来源。然而，关于浅水湖中甲烷氧化的垂直和季节性动态、对富营养化的响应以及调控机制，仍存在关键的知识空白，这限制了我们预测CH₄循环和制定有效减排策略的能力。本研究在长江下游的巢湖进行了季节性研究，考察了水中的甲烷氧化速率（MOR）和特定甲烷氧化速率（SMOR），以及甲烷氧化菌的丰度和群落结构。在八个研究站点，每年pmoA基因的拷贝数范围为246 ± 148至742 ± 473拷贝/mL^?1。两种主要的甲烷氧化菌属是Methylocystis和Methylosinus，属于II型，两者合计占年度甲烷氧化菌总量的90%以上。MOR和SMOR的值分别为1.32 ± 0.30至31.9 ± 6.0 nmol L^?1 h^?1和0.40 ± 0.09至2.75 ± 0.51 d^?1。夏季观察到最高的MOR和SMOR值，且底层水体的MOR和SMOR高于表层水体。水温、CH₄浓度、pmoA基因、悬浮颗粒物和叶绿素a被认为是主要的影响因素。季节性研究表明，有氧甲烷氧化减少了湖泊中62.3 ± 14.9%至76.6 ± 9.1%的扩散CH₄排放。本研究表明，在水深有限的浅水富营养化湖泊中，有氧甲烷氧化在减少CH₄排放方面起着关键作用。

引言

甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，其百年尺度上的全球变暖潜力是二氧化碳的28倍（Mar等人，2022年）。大气中的CH₄浓度已被人为提高到1934 ± 2 ppb，比工业化前水平高出165%（WMO，2024年）。湖泊仅占地球表面的0.9%（Downing等人，2006年），但它们的年CH₄排放量达到151 ± 73 Tg，占所有水生生态系统CH₄总排放量的35%（Rosentreter等人，2021年）。人为富营养化加速了湖泊中的有机碳沉积，促进了甲烷生成，导致CH₄排放持续增加（Yan等人，2017年；Zhang等人，2021年）。湖泊中的甲烷通常在沉积物中产生，厌氧条件和丰富的底物为甲烷生成菌提供了生存环境（Zhang等人，2021年）。在CH₄从沉积物释放到大气之前，它可能会遇到沉积物或水中的有氧甲烷氧化菌并被氧化。这些甲烷氧化菌以CH₄作为唯一的碳源和能量来源，以氧气作为电子受体（Chen等人，2022年）。先前的研究表明，甲烷氧化菌广泛分布于各大洲的湖泊水体中，并持续消耗溶解的CH₄。这种有氧甲烷氧化（MO）是一个高效的生物地球化学过程，可氧化超过60%的CH₄——在某些富氧湖泊中甚至接近100%（Barbosa等人，2018年；Bastviken等人，2003年；Kankaala等人，2006年；Pajala等人，2023年；Utsumi等人，1998b年；Zimmermann等人，2021年）。因此，MO成为湖泊生态系统中重要的CH₄汇，对减少湖泊CH₄排放起着关键作用。

有氧甲烷氧化菌是MO的主要执行者，广泛分布于水生环境中（Guggenheim等人，2020年；Samad和Bertilsson，2017年）。根据生理适应性，它们被分为两种类型：I型和II型（Lofton等人，2013年；Osudar等人，2016年）。I型甲烷氧化菌在环境条件稳定时生长旺盛，尤其是在CH₄浓度适中的栖息地（Chen等人，2022年）。相比之下，II型甲烷氧化菌在CH₄浓度极端或波动的情况下占主导地位，表现出较强的适应性和韧性（Henckel等人，2000年）。此外，II型甲烷氧化菌对各种环境压力具有显著的耐受性（Qin等人，2021年）。I型甲烷氧化菌主要分布在北方、西伯利亚和温带湖泊（Denfeld等人，2016年；Li等人，2021年；Sundh等人，2005年），而II型甲烷氧化菌则主要存在于热带湖泊和水库中（Guérin和Abril，2007年；Zigah等人，2015年）。在深湖中，甲烷氧化菌的丰度随水深显著变化，并受到温跃层的强烈影响；I型和II型甲烷氧化菌的相对优势可能会随着环境条件的变化而改变（Guggenheim等人，2020年；Lew和Glińska-Lewczuk，2018年；Zigah等人，2015年）。大多数关于MO的研究集中在深湖上，因为从沉积物到水面的传输距离较长，为CH₄氧化提供了更多机会。这类湖泊中的热分层导致CH₄和氧气浓度出现明显的垂直梯度，形成了一个稳定的富氧层覆盖在缺氧的CH₄富集层之上，从而影响了甲烷氧化菌的内部分布。富氧-缺氧界面是MO的热点区域，向上扩散的CH₄与向下扩散的氧气在此相遇（Guérin和Abril，2007年；Vachon等人，2019年；Zigah等人，2015年；Zimmermann等人，2021年）。季节性的水体翻转事件会破坏这些梯度，暂时将甲烷分散到富氧水体中，刺激氧化活动。

与深湖相比，由于营养物稀释能力弱和水体体积小，浅湖更容易受到富营养化的影响，这主要是由于全球人为活动和气候变暖造成的（Zhou等人，2022年）。野外观察和文献综述表明，浅湖是CH₄排放的热点（Li等人，2020a；Zhang等人，2021年）。尽管浅湖中的CH₄传输路径较短（几十厘米到几米），理论上限制了水柱中的MO，但新的证据表明，MO在这些系统中仍然活跃，并显著减少了CH₄排放（Kankaala等人，2006年；Utsumi等人，1998b）。然而，亚热带富营养化湖泊中MO的规模和调控机制尚未得到充分研究，这在预测CH₄循环和制定减排策略方面构成了一个关键缺口。在受到明显季节性温度波动影响的浅湖中，甲烷氧化菌群落和MO的时间动态尚未被阐明。频繁的沉积物再悬浮促进了氧气、甲烷氧化菌和CH₄的垂直混合，通常避免了热分层，保持了从水面到水底的均匀富氧条件（Li等人，2020b；Yang等人，2011年）。尽管环境条件在垂直方向上相似，但关于不同水层中甲烷氧化菌丰度、群落结构和MO活性的深度相关差异仍存在大量知识空白。此外，虽然悬浮颗粒物（SPM）——由沉积物再悬浮和浮游植物繁殖产生——是已知的微生物活动热点（Walch等人，2022年），但其在构建甲烷氧化菌群落和调节甲烷氧化速率（MOR）中的具体作用在浅湖生态系统中几乎未被探索。

本研究选择了位于中国长江下游的亚热带浅水富营养化湖泊巢湖，以研究一年内水柱中MO的动态和驱动因素。研究旨在（i）阐明甲烷氧化菌的水平空间分布和垂直空间分布及其时间变化，（ii）描述MOR、特定甲烷氧化速率（SMOR）及其空间和时间变化，（iii）确定影响MOR和SMOR的因素，（iv）评估MO对扩散CH₄排放的减少作用。这项研究为MO提供了定量见解，揭示了其潜在的驱动因素及其在减少浅湖CH₄排放中的作用，增强了我们对这些生态系统中CH₄循环和减排的理解。

研究区域

巢湖是一个位于长江下游的浅水富营养化湖泊（31°25′–31°43′N，117°17′–117°52′E），水域面积为769平方公里，平均深度为2.9米。东部的裕溪河是唯一的出水河流，而流入湖泊的河流主要来自湖泊的西部（BLCAP，2021年）。其中，西北部的河流流经合肥市，向湖泊输送大量氮、磷和有机物。

环境因素和甲烷浓度

巢湖的水深、水温、pH值、塞奇浊度（Secchi depth）和溶解氧饱和度（DO saturation）分别为2.6 ± 0.5 – 3.0 ± 0.5米、6.6 ± 0.7–32.7 ± 0.5°C、8.52 ± 0.11–8.93 ± 0.11、14 ± 4 – 43 ± 8厘米以及99 ± 3 – 117 ± 12%。对于总磷（TP）、铵离子（NH₄⁺）、叶绿素a（Chl a）、悬浮颗粒物（SPM）、有机碳（POC）和溶解无机碳（DIC），夏季的值最高（表S2）。S1–S4站点的营养参数（总氮TN、总磷TP、硝酸盐NO₃^?、铵离子NH₄⁺、磷酸盐PO₄^3?、叶绿素a Chl a）、SPM和POC）通常高于S5–S8站点。在大多数情况下，表层和底层水体的...

甲烷氧化菌的群落结构和丰度

甲烷氧化菌在巢湖的水柱中广泛分布且数量丰富。作为甲烷氧化菌标志物的pmoA基因的丰度范围为80 ± 40至637 ± 455拷贝/mL^?1（图2）。这一丰度与分层湖泊表层富氧水体的先前研究结果相当，但低于深水体的研究结果（Guggenheim等人，2020年；Samad和Bertilsson，2017年）。浅水湖和深水湖之间的差异归因于...

结论

本研究全面分析了浅水富营养化湖泊巢湖中甲烷氧化菌、MOR和SMOR的动态。研究结果表明，甲烷氧化菌在水柱中数量丰富，其中II型甲烷氧化菌占主导地位。观察到的MOR和SMOR表明水柱中有活跃的有氧甲烷氧化过程，这一过程受到季节性温度变化的动态影响。值得注意的是，我们的分析未发现光照条件对MOR有显著影响...

作者贡献声明

张楠：撰写——初稿、方法学、调查、正式分析。魏文新：可视化、调查、正式分析。李磊：撰写——初稿、可视化。曹志鹏：调查、正式分析。王彤：调查、正式分析。钟继成：监督、资源协调。袁和忠：监督、资源协调。刘成：撰写——审稿与编辑、资金获取、概念构思。张磊：撰写——审稿与编辑、方法学设计，

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

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：42177228、42577084）的资助。我们感谢Gang Liu和Hui Zhang在野外工作中提供的宝贵支持。