3月26日，环境学院教授夏星辉团队在《国家科学评论》（National Science Review）发表了题为“Globally doubled methane emissions from nutrient-enriched rivers”的研究论文。
河流作为陆地与海洋之间的关键连接通道，在全球碳循环中扮演着重要角色，同时也是大气甲烷（CH4）的重要排放源。城市及农田扩张造成大量氮磷等营养物输入河流，显著改变了河流的水环境条件和生物地球化学过程。然而，人类活动所引起的水环境变化（尤其是营养盐富集）如何影响河流CH4排放、其背后的机制是什么，以及通过营养盐管控能在多大程度上实现CH4减排，目前仍缺乏系统的定量评估。
针对上述科学问题，夏星辉团队联合国内外多家科研机构，通过整合自主开展的中国河流长期观测数据与全球河流甲烷数据库（GRiMeDB），系统揭示了营养盐富集对全球河流CH4排放的影响及机制，并评估了不同营养盐削减情景下的CH4减排潜力。
研究发现，受人类活动影响的富营养化河流CH4排放速率是未受影响河流的2.5倍，表明营养盐富集促进了CH4排放。总磷（TP）和氨氮（NH4+-N）浓度是驱动CH4排放的最关键因子，其与CH4浓度及排放通量的相关性在亚洲、北美和欧洲等人为活动干扰剧烈的地区尤为显著，作用强度显著高于传统认知的溶解性有机碳（DOC）浓度和温度等变量（图1）。进一步分析表明，人为活动导致的营养盐富集通过促进内源易降解有机质合成、伴随外源有机质输入增加、提高产甲烷菌丰度与多样性，以及加剧水体缺氧等多种途径，共同营造了有利于CH4生成的环境，进而增加了河流CH4排放。
图1 全球不同区域河流CH4浓度通量和总磷铵根浓度的标准化回归系数
研究团队进一步建立综合水环境变量和陆面环境指标的机器学习模型，估算全球营养盐富集河流CH4排放量为9.7 Tg CH4 yr-1，占全球河流CH4排放的35%。在此基础上，研究设定了三种营养盐削减情景：实现可持续发展目标（SDGs）、营养盐浓度减半、以及恢复至未受干扰水平。结果表明，通过营养盐削减可实现2.2-4.7 Tg CH4 yr-1的减排量，占全球营养盐富集河流总排放量的22%-49%（图2）。
图2 全球营养盐富集河流CH4排放量以及不同情景下减排潜力空间分布
全球营养盐富集河流CH4排放量及减排潜力呈现显著的空间差异（图3）。从纬度来看，温带对全球营养盐富集河流CH4排放的贡献最大（35%），其减排潜力也最为突出（56%）。从区域来看，亚洲贡献了全球营养盐富集河流CH4排放的47%，同时其减排潜力也居各大洲之首，占全球减排总量的54%。从经济发展水平来看，中高收入国家的减排潜力尤为显著（54%），凸显了这些国家通过营养盐管控实现协同减排的巨大潜力。本研究首次从全球尺度揭示了营养盐富集对河流CH4排放的促进作用及内在机制，量化了通过营养盐管控实现河流CH4减排的潜力，为将水环境治理纳入气候减缓战略提供了科学依据。
图3 不同纬度带、大洲及发展水平地区河流CH4排放量及减排潜力
北京师范大学环境学院为论文第一完成单位，博士后王君峰为论文第一作者，教授夏星辉与研究员刘少达为共同通讯作者。论文合作者包括广东工业大学的院士杨志峰和副教授张思波、美国新罕布什尔大学教授William H. McDowell、波士顿学院教授Hanqin Tian、瑞典林雪平大学教授David Bastviken等等。研究得到了国家自然科学基金创新研究群体（T2421005）和中美国际合作（T2261129474）等项目资助。