Lack of methane hotspot in the upstream dam: Case study in a tributary of the Three Gorges Reservoir, China  

上游大壩區(qū)域未出現(xiàn)甲烷熱點(diǎn)：以中國(guó)三峽水庫(kù)某支流為例的研究  

來(lái)源：Science of the Total Environment, volume 754, article number 142151, 2021  

《總體環(huán)境科學(xué)》第754卷，文章編號(hào)142151，2021年

 

摘要內(nèi)容

 

研究以三峽水庫(kù)（TGR）支流玉林河為對(duì)象，探究筑壩對(duì)沉積物碳?xì)怏w（CH?和CO?）濃度及甲烷排放的影響。結(jié)果表明：  

1. 筑壩效應(yīng)：筑壩導(dǎo)致上游沉積物總有機(jī)碳（TOC）、CH?和CO?濃度顯著高于下游（圖2a，表1-2）。  

 

 

 

2. 排放模式：  

   ? 高水位期（HRL）：上游CH?擴(kuò)散通量（0.253–0.427 mg m?2 h?1）高于下游（0.093 mg m?2 h?1），與沉積物CH?空間分布一致（圖4）。  

 

   ? 低水位期（LRL）：CH?排放以冒泡（ebullition）為主，下游通量（169.173 mg m?2 h?1）顯著高于上游（12.23–123.05 mg m?2 h?1），主要因水位波動(dòng)引發(fā)河岸侵蝕，增加下游沉積物TOC（圖4）。  

 

3. 關(guān)鍵機(jī)制：水位波動(dòng)通過(guò)影響沉積物TOC累積和水深，調(diào)控冒泡通量和甲烷氧化效率（圖5）。  

 

研究目的

 

1. 量化三峽水庫(kù)不同運(yùn)行周期（高水位期HRL vs. 低水位期LRL）對(duì)筑壩支流沉積物碳?xì)怏w空間分布的影響。  

2. 揭示CH?排放途徑（擴(kuò)散 vs. 冒泡）的時(shí)空差異及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制。  

3. 評(píng)估筑壩支流是否為甲烷排放熱點(diǎn)，為水庫(kù)溫室氣體核算提供依據(jù)。  

 

研究思路

 

1. 采樣設(shè)計(jì)：  

   ? 選取玉林河筑壩段，設(shè)置4個(gè)點(diǎn)位（1個(gè)壩下DW，3個(gè)壩上UP1-UP3）（圖1）。  

 

   ? 分高水位期（HRL, 175 m）和低水位期（LRL, 145 m）采集沉積物柱樣和水樣。  

 

2. 參數(shù)測(cè)量：  

   ? 沉積物特性：TOC（圖2a）、DOC（圖2b）、溫度、DO。  

 

   ? 碳?xì)怏w濃度：沉積物孔隙水CH?和CO?（表1-2）、上覆水CH?（圖3）。  

 

   ? CH?通量：擴(kuò)散（薄邊界層法）和冒泡（自動(dòng)氣泡捕獲器）（圖4）。  

 

   ? 微生物分析：qPCR定量產(chǎn)甲烷菌（mcrA基因）和甲烷氧化菌（pmoA基因）。  

 

3. 數(shù)據(jù)分析：結(jié)合水文參數(shù)（水深、流速）和微生物數(shù)據(jù)，解析碳?xì)怏w生成與排放的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

 

1. TOC與DOC（圖2）：  

   ? 數(shù)據(jù)：低水位期沉積物TOC顯著增加（下游DW增幅120%），DOC濃度在孔隙水中高于上覆水。  

 

   ? 意義：證實(shí)筑壩導(dǎo)致上游有機(jī)碳沉積，而低水位期河岸侵蝕增加下游TOC，為甲烷生成提供底物。  

 

2. 沉積物CH?和CO?濃度（表1-2）：  

   ? 數(shù)據(jù)：低水位期沉積物CH?濃度（142.79 ± 82.03 μmol L?1）遠(yuǎn)高于高水位期（8.91 ± 6.84 μmol L?1），CO?呈現(xiàn)類似趨勢(shì)。  

 

   ? 意義：溫度升高和TOC積累共同促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用，低水位期微生物活性增強(qiáng)。  

 

3. CH?通量（圖4）：  

   ? 數(shù)據(jù)：高水位期以擴(kuò)散為主（上游通量更高）；低水位期冒泡占主導(dǎo)，下游通量（169.173 mg m?2 h?1）遠(yuǎn)超上游。  

 

   ? 意義：揭示排放途徑的時(shí)空轉(zhuǎn)換——水深較淺的下游在低水位期因水力壓力降低，冒泡通量激增。  

 

4. 微生物基因：  

   ? 數(shù)據(jù)：低水位期mcrA基因（產(chǎn)甲烷菌）拷貝數(shù)增加，pmoA基因（甲烷氧化菌）在沉積物表層富集。  

 

   ? 意義：微生物群落響應(yīng)環(huán)境變化，甲烷氧化作用在表層沉積物中消耗部分CH?，但低水位期高濃度CH?仍導(dǎo)致大量排放。  

 

結(jié)論

 

1. 空間格局：筑壩使上游沉積物TOC和碳?xì)怏w濃度更高，但甲烷排放熱點(diǎn)出現(xiàn)在下游而非上游。  

2. 時(shí)間動(dòng)態(tài)：  

   ? 高水位期：上游擴(kuò)散通量主導(dǎo)，與沉積物CH?分布一致。  

 

   ? 低水位期：下游冒泡通量激增（因TOC輸入增加 + 水深變淺），成為主要排放途徑。  

 

3. 關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)：水位波動(dòng)通過(guò)河岸侵蝕增加下游TOC，同時(shí)淺水環(huán)境促進(jìn)冒泡，而甲烷氧化無(wú)法完全抵消高生成量。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

 

Unisense微電極（型號(hào)OX-25）用于高分辨率測(cè)定沉積物溶解氧（DO）剖面，其研究意義包括：  

1. 揭示氧化還原分層：電極數(shù)據(jù)顯示DO滲透深度在低水位期減少，表明沉積物厭氧層擴(kuò)大，為產(chǎn)甲烷作用創(chuàng)造有利條件。  

2. 關(guān)聯(lián)微生物過(guò)程：DO梯度與mcrA/pmoA基因分布耦合（圖S4），證實(shí)產(chǎn)甲烷菌在深層厭氧區(qū)活躍，而甲烷氧化菌在表層好氧區(qū)富集，解釋低水位期高CH?生成但氧化效率受限的現(xiàn)象。  

3. 支持通量機(jī)制：淺水區(qū)（如下游DW）DO滲透淺，結(jié)合低水力壓力，共同促進(jìn)冒泡通量主導(dǎo)的排放模式（圖4），凸顯電極數(shù)據(jù)對(duì)解析“沉積物-水-氣”傳輸路徑的關(guān)鍵作用。  

 

科學(xué)價(jià)值：Unisense電極提供沉積物微尺度氧動(dòng)態(tài)的直接證據(jù)，將微生物活動(dòng)與水文條件（水深、溫度）關(guān)聯(lián)，為水庫(kù)甲烷排放模型提供機(jī)理支撐。