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01摘要

淺水湖泊主要分布在人類(lèi)活動(dòng)密集區(qū)，其水體普遍存在不同程度的營(yíng)養(yǎng)鹽污染，且對(duì)氣候變動(dòng)高度敏感。這些不斷變化的環(huán)境條件推動(dòng)湖泊中甲烷（CH4）的產(chǎn)生與排放發(fā)生復(fù)雜且多變的生物地球化學(xué)過(guò)程，導(dǎo)致全球甲烷排放估算存在較大不確定性。本研究系統(tǒng)分析了全球淺水湖泊（水深≤6米）的甲烷排放規(guī)律及驅(qū)動(dòng)因素，并量化了其減排潛力。研究結(jié)果顯示，所調(diào)研淺水湖泊的甲烷平均排放通量為3.41±2.08mg m?2h?1，全球淺水湖泊甲烷年總排放量估算值約為29.66Tg。其中，氣泡釋放是甲烷排放的主要途徑，占比達(dá)56%，且其溫度依賴性顯著高于擴(kuò)散排放。面積小于1平方千米、水深小于2米、緯度低于30°以及富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)大于61.29的淺水湖泊，甲烷排放通量顯著更高（p<0.01）。湖泊中的總氮、總磷濃度以及區(qū)域氣溫是調(diào)控甲烷排放通量的關(guān)鍵因素。模擬結(jié)果表明，若在全球范圍內(nèi)協(xié)同將湖泊總氮、總磷含量降低10%~50%，甲烷排放通量可減少11%~38%，總排放量可減少12%~44%。在降低甲烷排放通量方面，總氮管控的效果優(yōu)于總磷，在低緯度、小面積、淺水深的超富營(yíng)養(yǎng)化和富營(yíng)養(yǎng)化湖泊中，這一差異尤為明顯。本研究進(jìn)一步深化了對(duì)全球淺水湖泊甲烷排放規(guī)律的認(rèn)識(shí)，并為全球環(huán)境變化背景下制定可持續(xù)的湖泊甲烷減排管理策略提供了依據(jù)。

02研究目標(biāo)

（1）探究全球淺水湖泊甲烷通量的分布規(guī)律；

（2）厘清自然驅(qū)動(dòng)因素（氣候、水文、形態(tài)特征）與人為驅(qū)動(dòng)因素（尤其是營(yíng)養(yǎng)鹽富集）對(duì)甲烷排放的相對(duì)貢獻(xiàn)及交互作用；

（3）量化全球淺水湖泊的甲烷排放量，并評(píng)估通過(guò)營(yíng)養(yǎng)鹽管理策略實(shí)現(xiàn)的甲烷減排潛力。

03研究方法

1. 全球淺水湖泊甲烷通量數(shù)據(jù)集構(gòu)建

本研究將平均水深小于6米的湖泊定義為淺水湖泊，該水深閾值也被諸多以往研究廣泛采用。根據(jù)湖泊水文數(shù)據(jù)庫(kù)（HydroLAKES）的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，全球共有1267347個(gè)湖泊符合這一判定標(biāo)準(zhǔn)，約占陸地湖泊總數(shù)的89%。

研究通過(guò)系統(tǒng)性文獻(xiàn)綜述，整理了選定淺水湖泊水-氣界面的甲烷通量數(shù)據(jù)。利用布爾檢索式（（"甲烷"或"CH?"）且（"通量"或"排放"或"釋放"或"逸出"）且（"湖泊"））在Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)的主題字段中檢索相關(guān)同行評(píng)審文獻(xiàn)。數(shù)據(jù)提取聚焦于平均水深小于6米的湖泊，且其通量測(cè)定方法為靜態(tài)箱法或邊界層模型法。本研究最終從68篇源文獻(xiàn)中，收集到全球141個(gè)淺水湖泊的935組獨(dú)立通量觀測(cè)數(shù)據(jù)，其中包含427組總通量測(cè)定數(shù)據(jù)、152組氣泡釋放通量測(cè)定數(shù)據(jù)以及632組擴(kuò)散通量測(cè)定數(shù)據(jù)。

研究從源文獻(xiàn)中提取了通量測(cè)定點(diǎn)位的配套參數(shù)，包括地理位置（經(jīng)緯度）、湖泊形態(tài)參數(shù)（面積、水深）、水質(zhì)指標(biāo)（溶解氧、總氮、總磷、葉綠素a）和氣象條件（氣溫、降水量、氣壓、風(fēng)速），并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)、美國(guó)國(guó)家氣候數(shù)據(jù)中心及湖泊水文數(shù)據(jù)庫(kù)的資料對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)充完善。此外，利用水文流域數(shù)據(jù)庫(kù)提取各湖泊的流域邊界，通過(guò)全球國(guó)家測(cè)繪組織土地覆蓋數(shù)據(jù)集量化流域內(nèi)農(nóng)田和城市用地的占比。

研究構(gòu)建了機(jī)器學(xué)習(xí)模型以預(yù)測(cè)甲烷總通量（擴(kuò)散+氣泡釋放），模型的預(yù)測(cè)變量涵蓋湖泊面積、水深、溶解氧、總氮、總磷、葉綠素a、氣溫、降水量、氣壓和風(fēng)速。研究探索了六種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，包括隨機(jī)森林、極端隨機(jī)樹(shù)、梯度提升決策樹(shù)、極限梯度提升、支持向量機(jī)和K近鄰算法。模型構(gòu)建的詳細(xì)流程（包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練與驗(yàn)證、模型性能評(píng)估）見(jiàn)附錄A補(bǔ)充文本1。在所有算法中，隨機(jī)森林模型綜合表現(xiàn)最優(yōu)，擬合優(yōu)度高（決定系數(shù)R2=0.76）、預(yù)測(cè)誤差低（均方根誤差為4.92mg m?2h?1，平均絕對(duì)誤差為1.97mg m?2h?1）且穩(wěn)定性良好，因此被選定用于全球尺度甲烷通量的模擬構(gòu)建。

研究整合全球湖泊水質(zhì)、葉綠素a、溶解氧濃度、湖泊形態(tài)及氣象條件等數(shù)據(jù)集，為8742個(gè)淺水湖泊構(gòu)建了標(biāo)準(zhǔn)化預(yù)測(cè)變量數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集包含每個(gè)湖泊完整的環(huán)境變量信息。借助優(yōu)化后的隨機(jī)森林模型，研究對(duì)上述湖泊的甲烷通量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，進(jìn)而建立了全球8742個(gè)淺水湖泊的甲烷通量數(shù)據(jù)集。

2.統(tǒng)計(jì)分析

本研究采用多維分類(lèi)框架對(duì)甲烷通量特征進(jìn)行歸類(lèi)分析。將湖泊地理位置劃分為低緯度（<30°）、中緯度（30°~60°）和高緯度（>60°）區(qū)域；將湖泊水深劃分為0~2米、2~4米和4~6米三個(gè)區(qū)間；參照相關(guān)研究，將湖泊面積劃分為小型（<1 km2）、中型（1~100 km2）和大型（>100 km2）三類(lèi)；基于總氮、總磷和葉綠素a濃度計(jì)算富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)（計(jì)算細(xì)節(jié)見(jiàn)附錄A補(bǔ)充文本2），并依據(jù)該指數(shù)將湖泊營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)劃分為貧營(yíng)養(yǎng)型（富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)≤20）、中營(yíng)養(yǎng)型（20<富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)≤39.42）、富營(yíng)養(yǎng)型（39.42<富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)≤61.29）和超富營(yíng)養(yǎng)型（富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)>61.29）。

本研究通過(guò)阿倫尼烏斯方程推導(dǎo)的表觀活化能，量化甲烷通量的溫度依賴性。采用多元線性回歸模型，分析湖泊形態(tài)（水深、面積）、土地利用狀況（農(nóng)田、城市用地占比）、氣象因子（降水量、氣溫、氣壓、風(fēng)速）和水質(zhì)參數(shù)（溶解氧、總氮、總磷、葉綠素a）等關(guān)鍵環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子對(duì)甲烷排放通量的影響。分析前，對(duì)甲烷通量數(shù)據(jù)進(jìn)行自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，同時(shí)采用最大-最小標(biāo)準(zhǔn)化法對(duì)各環(huán)境因子進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用偏最小二乘路徑模型量化各環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子之間的相互作用關(guān)系。所有統(tǒng)計(jì)分析與可視化工作均在R 4.5.1軟件中完成。

3.全球淺水湖泊甲烷排放量的尺度推繹

本研究基于湖泊水文數(shù)據(jù)庫(kù)（HydroLAKES）開(kāi)展全球淺水湖泊甲烷排放量的尺度推繹，該數(shù)據(jù)庫(kù)提供了詳細(xì)的湖泊形態(tài)學(xué)記錄，被廣泛推薦用于全球水生生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放清單的編制。依據(jù)該數(shù)據(jù)庫(kù)，全球共識(shí)別出1267347個(gè)淺水湖泊（平均水深＜6 m），總表面積達(dá)971539 km2，占全球湖泊總面積的33.20%。

研究采用蒙特卡洛模擬法將淺水湖泊甲烷排放通量尺度推繹至全球尺度，并量化相關(guān)估算不確定性，該方法在全球溫室氣體排放估算中被證實(shí)具有較低的誤差。由于湖泊水文數(shù)據(jù)庫(kù)缺乏水質(zhì)相關(guān)數(shù)據(jù)，研究采用基于水深的分層方法優(yōu)化尺度推繹流程，將全球湖泊面積與預(yù)測(cè)的甲烷通量數(shù)據(jù)集均劃分為0~2 m、2~4 m、4~6 m三個(gè)水深等級(jí)，對(duì)每個(gè)等級(jí)分別開(kāi)展蒙特卡洛模擬，以降低潛在的估算偏差。具體而言，先對(duì)甲烷通量數(shù)據(jù)進(jìn)行自然對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，使其近似符合正態(tài)分布后再進(jìn)行模擬；蒙特卡洛模擬共執(zhí)行1000次迭代，在每個(gè)水深等級(jí)的每次迭代中，從轉(zhuǎn)換后的通量分布中隨機(jī)重采樣通量值，與隨機(jī)選取的該等級(jí)全球淺水湖泊面積相乘，計(jì)算該次模擬的全球甲烷總排放量。最終，從所有迭代結(jié)果中提取全球淺水湖泊甲烷排放量的平均值及95%置信區(qū)間。

為量化湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽水平降低對(duì)全球甲烷減排的潛力，研究設(shè)計(jì)了一系列模擬情景，設(shè)置總氮、總磷濃度分別遞減10%~50%的梯度，涵蓋單獨(dú)管控總氮、單獨(dú)管控總磷及二者協(xié)同管控三種情形。針對(duì)每個(gè)情景，利用優(yōu)化后的隨機(jī)森林模型重新計(jì)算甲烷排放通量，并通過(guò)上述蒙特卡洛模擬框架重新評(píng)估全球甲烷排放量。

04結(jié)果

1.淺水湖泊甲烷排放通量特征

對(duì)全球通量數(shù)據(jù)集的分析結(jié)果顯示，淺水湖泊的甲烷排放通量范圍為0.05~49.14 mg·m?2·h?1，平均值（±標(biāo)準(zhǔn)差）為3.41±2.08 mg·m?2·h?1，且該通量隨湖泊水深、富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)和緯度的不同呈現(xiàn)顯著差異。

水深0~2米的湖泊甲烷平均排放通量顯著較高，達(dá)4.25 mg·m?2·h?1，分別比水深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%。小型湖泊的甲烷排放通量為3.43 mg·m?2·h?1，略高于大型湖泊（3.31 mg·m?2·h?1）和中型湖泊（3.38 mg·m?2·h?1）。研究發(fā)現(xiàn)，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)與甲烷排放通量呈顯著正相關(guān)，超富營(yíng)養(yǎng)化湖泊（富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)≥61.29）的甲烷排放通量最高，達(dá)6.29 mg·m?2·h?1，約為富營(yíng)養(yǎng)化（3.55 mg·m?2·h?1）、中營(yíng)養(yǎng)化（2.00 mg·m?2·h?1）和貧營(yíng)養(yǎng)化湖泊（1.65 mg·m?2·h?1）的1.77倍、3.15倍和3.81倍。緯度分布特征表明，低緯度區(qū)域湖泊的甲烷排放通量為3.66 mg·m?2·h?1，顯著高于中緯度（3.40 mg·m?2·h?1）和高緯度區(qū)域（3.38 mg·m?2·h?1）。

此外，對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)集的分析顯示，氣泡釋放是淺水湖泊甲烷排放的主要途徑，貢獻(xiàn)占比達(dá)55.96%，顯著高于擴(kuò)散排放的占比。研究通過(guò)阿倫尼烏斯函數(shù)擬合，分析了兩種排放途徑的溫度依賴性，結(jié)果表明氣泡釋放的表觀活化能為擴(kuò)散排放的2.66倍，說(shuō)明氣泡釋放的溫度敏感性顯著高于擴(kuò)散排放。

2.淺水湖泊甲烷通量變化的驅(qū)動(dòng)因素

多元線性回歸分析結(jié)果表明，湖泊形態(tài)、區(qū)域氣候條件和水質(zhì)共同決定了甲烷的排放特征。湖泊面積（β=-0.007，p<0.001）和水深（β=-0.019，p<0.001）均對(duì)甲烷通量表現(xiàn)出顯著的負(fù)向影響；氣溫（β=0.066，p<0.001）和氣壓（β=-0.012，p<0.001）是兩個(gè)主導(dǎo)性氣象驅(qū)動(dòng)因子，其中氣溫與甲烷通量呈顯著正相關(guān)，氣壓則呈顯著負(fù)相關(guān)。此外，流域內(nèi)農(nóng)田（β=0.016，p<0.001）和城市用地（β=0.009，p<0.001）的占比均與甲烷通量呈正相關(guān)。

相比之下，水質(zhì)是影響淺水湖泊甲烷通量的最重要驅(qū)動(dòng)因素。其中，總氮（β=0.073，p<0.001）、總磷（β=0.037，p<0.001）和葉綠素a（β=0.025，p<0.001）均對(duì)甲烷通量表現(xiàn)出顯著的正向影響，且總氮的影響效應(yīng)明顯高于總磷、葉綠素a，甚至超過(guò)氣溫。溶解氧（β=-0.011，p<0.01）則對(duì)甲烷排放呈顯著的負(fù)向影響?？傮w而言，總氮、總磷和氣溫是影響甲烷通量變化的三個(gè)最主要因子。

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，總磷與總氮之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明二者可能具有同源性；同時(shí)，湖泊流域內(nèi)的農(nóng)田和城市用地占比也與總氮、總磷呈正相關(guān)，這可能意味著湖泊水質(zhì)主要受流域人為污染輸入的影響。此外，總磷、總氮含量的升高與葉綠素a呈正相關(guān)，而與溶解氧呈負(fù)相關(guān)，說(shuō)明營(yíng)養(yǎng)鹽富集會(huì)促進(jìn)藻類(lèi)水華的發(fā)生，同時(shí)造成溶解氧的消耗。農(nóng)田和城市用地占比還與氣溫呈正相關(guān)，這或許暗示人類(lèi)活動(dòng)在一定程度上會(huì)對(duì)氣溫產(chǎn)生影響。

本研究運(yùn)用偏最小二乘路徑模型，闡明了驅(qū)動(dòng)甲烷通量變化的各環(huán)境因子間的相互作用關(guān)系。路徑系數(shù)顯示，農(nóng)業(yè)和城市用地的擴(kuò)張會(huì)顯著影響氣溫和湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽（總氮、總磷）水平，進(jìn)而對(duì)甲烷通量產(chǎn)生顯著的正向影響；標(biāo)準(zhǔn)化總效應(yīng)分析則進(jìn)一步證實(shí)，營(yíng)養(yǎng)鹽和氣溫是驅(qū)動(dòng)甲烷通量變化的主導(dǎo)因素。

3.全球淺水湖泊甲烷排放量估算

基于湖泊水文數(shù)據(jù)庫(kù)中1267347個(gè)淺水湖泊的表面積數(shù)據(jù)，結(jié)合本研究構(gòu)建的全球通量數(shù)據(jù)集，估算得出全球淺水湖泊（水深＜6 m）的甲烷年排放量約為29.66Tg，95%置信區(qū)間為28.64~30.73Tg。

湖泊富營(yíng)養(yǎng)化管控已受到廣泛關(guān)注，其中總氮和總磷的管控被視為核心舉措。本研究通過(guò)隨機(jī)森林模型估算發(fā)現(xiàn)，若將湖泊總氮含量降低10%~50%，淺水湖泊的平均甲烷排放通量可減少7.77%~28.31%，總排放量可減少8.31%~32.65%，減排效果相較于同等幅度的總磷管控，分別高出5.80%~15.82%和12.47%~31.23%。此外，總氮與總磷協(xié)同減排（降幅10%~50%）可進(jìn)一步提升減排效果，使甲烷排放通量減少11.24%~37.52%，總排放量減少12.40%~44.21%，減排效果顯著優(yōu)于單一營(yíng)養(yǎng)鹽管控情景。

同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化指數(shù)越高，氮磷管控對(duì)甲烷排放通量的減排效果越顯著。例如，當(dāng)總氮和總磷濃度同步降低10%~50%時(shí)，超富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的甲烷排放通量降幅可達(dá)14.86%~58.77%，較富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的降幅高出約18.50%~36.74%。此外，總氮管控對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化和超富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的甲烷通量減排效果更優(yōu)，在低緯度、小面積、淺水深的此類(lèi)湖泊中，這一效果尤為突出。

05結(jié)論

本研究系統(tǒng)評(píng)估了全球淺水湖泊甲烷排放的分布特征、驅(qū)動(dòng)因素，以及通過(guò)營(yíng)養(yǎng)鹽管控實(shí)現(xiàn)甲烷減排的潛力。研究結(jié)果表明，全球淺水湖泊的甲烷平均排放通量為3.41 mg·m?2·h?1，年總排放量估算值約為29.66太克甲烷。其中，富營(yíng)養(yǎng)化程度更高、位于低緯度、水深更淺且面積更小的湖泊是甲烷排放的關(guān)鍵熱點(diǎn)區(qū)域。氣泡釋放是淺水湖泊甲烷排放的主導(dǎo)途徑，且該途徑的溫度敏感性顯著更高。由農(nóng)業(yè)和城市活動(dòng)引發(fā)的湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽污染（總氮、總磷），與區(qū)域氣溫共同構(gòu)成了調(diào)控淺水湖泊甲烷排放通量的核心因素。情景模擬結(jié)果顯示，若在全球范圍內(nèi)將湖泊總氮、總磷濃度協(xié)同降低10%~50%，可實(shí)現(xiàn)全球淺水湖泊甲烷排放量12%~44%的降幅；在富營(yíng)養(yǎng)化和超富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊中，總氮管控的減排效果顯著優(yōu)于總磷管控。因此，在全球氣候變暖的背景下，制定以削減湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽負(fù)荷為目標(biāo)的長(zhǎng)期管理策略，重點(diǎn)管控氮污染，對(duì)于有效緩解并部分抵消淺水湖泊的甲烷排放具有關(guān)鍵意義。

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2026.147483

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