流动状态的变化和水质的波动调控了人为干扰的热带河流和运河中甲烷（CH4）的动态变化

《Environmental Research》：Shifting Flow Regimes and Water Quality Regulate CH 4 Dynamics in Anthropogenically Perturbed Tropical Rivers and Canals

本研究在印度西部萨巴马蒂河、Mahi河及Narmada运河的天然与人工改造河段，通过对比分析发现：人类活动导致的水体停滞（如萨巴马蒂河岸）显著增加甲烷（CH4）浓度，其释放与水温升高、无机氮及颗粒有机碳含量正相关；δ13C CH4值显示乙酸型甲烷生成是主要途径，而静止水体中存在甲烷氧化现象。研究证实工程化改造及污水输入是南亚等人口密集区河流CH4排放的关键驱动因素，为全球CH4通量估算提供了区域数据支撑。

　　

Siddhartha Sarkar|Ganika Kushwah|Sanjeev Kumar

印度艾哈迈达巴德物理研究实验室地球科学部，邮编380009

摘要

河流在陆地-海洋连续体中输送和转化碳，并向大气中释放CH₄。人类对河流网络的广泛干扰破坏了自然流动模式，影响了外来物质的供应，进而影响了河流中的生物地球化学过程。在受人类影响的河流中，CH₄的时空变化研究较少，特别是在南亚人口密集地区，这导致全球通量估算存在不确定性。本研究调查了在人为干扰逐渐增加的情况下，热带河流和人工运河中CH₄的变化情况。我们在印度西部的Sabarmati河、Mahi河和Narmada运河的不同河段（根据人类干扰程度选取）进行了采样，分别在流量高和低的情况下进行观测。研究发现，与流动的Narmada运河相比，有衬砌的Sabarmati河段由于水体停滞，溶解态CH₄含量更高（这是自由流动河流连续体的一个中断）。此外，废水的排放导致Sabarmati河下游出现缺氧环境，CH₄浓度极高。CH₄与温度、溶解无机氮和颗粒有机碳呈正相关。δ¹³C_CH4分析表明，乙酸裂解甲烷生成是CH₄的主要生成途径，并且在Sabarmati河的停滞河段观察到了CH₄氧化的证据。本研究提供了该地区CH₄通量的估算结果，强调了河流开发项目的气候影响，以及自然流量减少的河流中废水的主要作用。

引言

河流在全球碳循环中起着关键作用，既是有机物质的储存场所，也是输送通道和反应器（Cole等人，2007；Aufdenkampe等人，2011；Raymond等人，2013；Abril等人，2014；Park等人，2018；Sarkar和Kumar，2025）。气候、土地利用、地形和植被调节着河流中物质的供应，而光照、水温和湍流等非生物因素则影响物质的转化速率（Acu?a和Tockner，2010；Lee等人，2015）。世界上大多数河流系统中的CH₄处于过饱和状态，是大气中的净排放源（Stanley等人，2016）。全球河流CH₄排放量估计在2-27 Tg CH₄ yr^-1之间（Liu等人，2010；Bastviken等人，2011；Raymond等人，2013；Stanley等人，2016）。CH₄在河流中原位生成，或通过地表径流和地下水排放进入河流（Cole等人，2007）。河流中的CH₄生成既可能发生在水柱中，也可能发生在沉积物中，分别通过乙酸裂解甲烷生成和氢营养甲烷生成途径（Whiticar等人，1986）。CH₄的流失机制包括通过甲烷氧化作用转化为CO₂或直接排放到大气中（Reis等人，2022）。这些生物地球化学过程同时发生，且往往受环境因素影响，因此难以追踪CH₄的原始来源。

稳定同位素是研究河流中颗粒有机碳（Kendall等人，2001；Sarkar等人，2023）和溶解无机碳（Campeau等人，2017）来源和转化的强大工具。同样，CH₄的稳定碳同位素组成（δ¹³C_CH4）可以指示生成途径（例如，乙酸裂解途径的δ¹³C_CH4高于氢营养途径）和流失途径（例如，CH₄氧化导致δ¹³C_CH4升高）（Sawakuchi等人，2016）。然而，全球范围内关于河流连续体中δ¹³C_CH4时空变化的研究较少（Borges等人，2019；Begum等人，2021）。

最初提出的河流连续体概念成功地将生物过程与未受干扰的自然河流中的物理环境相结合（Vannote等人，1980）。后来，这一概念被广泛应用于有机物质、化学多样性、生物降解性和河流pCO₂的研究中（Hotchkiss等人，2015；Mosher等人，2015；Catalán等人，2016）。自由流动河流的特点是能够促进水、生物、沉积物、有机物和能量的流动。河流网络的过度城市化以及水坝和堰的建设使得自由流动的河流连续体变成了交替的流动和静水系统的断裂，从而引入了“串联断裂概念”（Stanford和Ward，1983）。这种破坏非常普遍，大约63%长度超过1000公里的河流在其整个长度上失去了自由流动状态，77%的河流在流入全球海洋之前被中断（Grill等人，2019）。除了破坏下游流动条件外，水库建设还影响了河流的生态和生物地球化学连通性（Lehner等人，2011；Winemiller等人，2016；Maavara等人，2017）。水文连通性对外来有机物质的供应、河流中的转化过程以及CH₄和CO₂的排放有重要控制作用（Sand-Jensen等人，2022；Prijac等人，2023）。大多数研究河流温室气体（GHG）动态受水库影响的研究都集中在大型水库或小型结构如检查坝上（St. Louis等人，2000；Barros等人，2011；Maeck等人，2013；Deemer等人，2016；Gómez-Gener等人，2018）。有机物质的积累和降解会在沉积物中形成缺氧环境，最终增加CH₄的生成（Keller和Stallard，1994；Delsontro等人，2010）。这些人类干扰的后果导致全球通量估算的不确定性增加（Stanley等人，2012；Regnier等人，2013；Crawford等人，2016）。

关于河流连续体概念在现代时代的相关性，除了渠道改造外，还有一个重要因素是污染。废水输入可以在河流的任何位置对其健康产生重大影响。对城市河流的研究表明，受污染的水道和污水处理厂的排放物是常被忽视的温室气体来源（Wang等人，2017；Yoon等人，2017）。特别是在发展中国家，快速的城市化可以调节外来有机物质和营养物质的供应和组成，从而影响河流中的代谢过程（Sickman等人，2007；Vachon等人，2010；de Fátima F. L. Rasera等人，2013；Li等人，2013；de Souza等人，2016；Williams等人，2016）。水坝建设、城市化和污染已被观察到会在区域和全球范围内增加河流温室气体通量（Deemer等人，2016；Yoon等人，2017；Li等人，2020）。

尽管亚洲河流占全球河流向海洋输送碳通量的40-50%，但由于数据稀少和研究有限，它们对全球河流CH₄排放通量的贡献仍是一个未知数（Degens等人，1991；Ludwig等人，1996；Schlünz和Schneider，2000；Dai等人，2012）。特别是在印度，只有少数研究关注水生系统中的溶解态CH₄（Panneer Selvam等人，2014；Begum等人，2021；Patel等人，2023）。鉴于此，本研究探讨了流经该国人口最多城市的印度西部河流中的CH₄动态。本研究的具体目标是：（i）估算印度西部河流的CH₄排放通量，这是印度河流排放清单中的空白点；（ii）了解水体停滞对CH₄生成的影响；（iii）追踪废水输入对溶解态CH₄的影响；（iv）利用稳定同位素特征了解CH₄的来源、生成和流失过程。我们假设：（i）水体停滞会导致有机物质增多，从而增加CH₄的生成；（ii）在自然流量低的河流中，废水输入会对河流健康和CH₄排放潜力产生长期影响。为了实现这些目标，我们研究了印度古吉拉特邦的Sabarmati河、Mahi河和Narmada运河河段，因为这些河流受到严重干扰，但相对自由流动，且衬砌程度不同（外来物质输入较少），为验证我们的假设提供了理想条件。

研究区域

研究区域

Sabarmati河流经印度西部的干旱和半干旱地区，流经拉贾斯坦邦和古吉拉特邦。它发源于拉贾斯坦邦的阿拉瓦利山脉，流域面积为21,674平方公里，主干长度约为371公里，最终注入阿拉伯海（图1）。Mahi河流经中央邦、拉贾斯坦邦和古吉拉特邦的半干旱气候区域，其源头位于Vindhyachal山脉的Mahi Kanta Hills附近。

物理化学性质和颗粒有机碳浓度

根据我们基于流动特征和工程改造程度识别河流段的方法，水质参数在不同河流段和Narmada运河之间存在显著差异（中位数，p < 0.001；Kruskal–Wallis单因素方差分析），在不同流动条件下也存在差异（温度、溶解氧和DIN）（图3）。Sabarmati河的pH值逐渐降低，最低值出现在...

讨论

显然，Sabarmati河、Mahi河和Narmada运河中的CH₄浓度存在变化，每种河流和运河内的独特环境控制着CH₄的生成和转化过程。下面，我们将探讨CH₄的来源和转化过程，以及导致水体停滞和污染的人为干扰的影响。

结论

本研究通过研究流经印度西部干旱和半干旱地区的Sabarmati河、Mahi河和Narmada运河，探讨了在人为干扰下热带河流中CH₄动态的变化。研究发现，人类干扰导致河流中CH₄浓度显著增加。特别是由于河岸建设导致的水体停滞...

CRediT作者贡献声明

Siddhartha Sarkar：撰写初稿、方法论设计、数据整理、概念构建。Ganika Kushwah：方法论设计。Sanjeev Kumar：撰写与编辑、监督、资源管理、数据收集、概念构建

未引用参考文献

Abril等人，2015；Abril等人，2000；Adamczyk和Shurin，2015；Battin等人，2009；Begum等人，2019；Borges等人，2018；Borges等人，2015；Catalán等人，2017；Conrad，2005；de Fátima FL Rasera等人，2013；Galand等人，2010；Graven等人，2020；Halbedel和Koschorreck，2013；Holmes等人，2015；Jossette等人，1999；Kim等人，2019；Lin等人，2019；Liu等人，2016；Maberly等人，2013；Maher等人，2013；Manaka等人，2015；Okumura等人，2016；Pacheco等人，2015；

利益冲突声明

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。

开放研究

本研究生成和解释的数据可通过figshare获取：https://figshare.com/s/6b411296dbd64a5a604e

资助

本研究的资金由印度政府空间部提供。

利益冲突声明

作者没有需要声明的利益冲突。