共同一作Nature子刊发文揭示全球城市河流污染与温室气体排放的复合效应

我系青年教师王功芹博士和北京师范大学博士生许文浩等在北京师范大学夏星辉教授和刘少达副教授指导下，通过构建全球城市河流温室气体数据库，揭示了全球城市河流温室气体浓度与通量的关键环境与社会经济控制因素；在此基础上，训练并验证了随机森林机器学习模型，精准预测了全球城市河流温室气体浓度与通量的空间格局，同时基于“动态河网”概念对其排放规模进行了定量估算。相关研究成果以“Globally elevated greenhouse gas emissions from polluted urban rivers”为题发表于Nature Sustainability。

研究团队基于前期对城市河流的实地观测研究（https://doi.org/10.1021/acs.est.1c00647；https://doi.org/10.1016/j.watres.2020.116654），整合了全球5,090个城市河流温室气体浓度与通量观测数据，并与全球河流甲烷数据库（包括二氧化碳和氧化亚氮）进行对比分析。研究发现城市河流甲烷与氧化亚氮的浓度与通量均显著高于非城市河流。而二氧化碳与非城市河流差异相对较小，这可归因于富营养化和高强度水文控制下河流光合吸收以及缺氧程度的增强（图1）。

图1 全球城市河流温室气体观测数据的空间分布及与非城市河流的对比

在全球范围内，城市河流三种温室气体的浓度与通量随流域面积增大而显著降低（图2）。流域人口、人口密度和GDP对甲烷和氧化亚氮的浓度与通量均产生显著正面影响。然而，甲烷和氧化亚氮的浓度或通量会随人均GDP的升高而显著降低。此外，三种温室气体的浓度与通量随流域海拔的升高而显著降低，这一模式与全球河流类似。城市河流甲烷和二氧化碳与氧化亚氮对气候和陆地生物圈变量的响应呈现出不同的模式。城市地区初级生产力或土壤呼吸的增强会促进其河流中甲烷和二氧化碳排放，但另一方面也会截留地表径流中的氮素，从而抑制其向河流的输送。

图2 全球城市河流温室气体浓度与通量和流域环境与社会经济变量之间的标准化回归系数

在此基础上，研究建立了随机森林机器学习预测模型，良好的拟合效果显示模型可在全球范围内准确预测城市河流温室气体的浓度与通量（R² ≥ 0.60）。结果表明（图3），城市河流甲烷、二氧化碳和氧化亚氮的平均通量分别是全球河流的6，1.2和19倍，三种温室气体的浓度与通量均在热带城市河流中更高，但甲烷和二氧化碳在热带与温带城市河流之间的差异比氧化亚氮更为明显。此外，三种温室气体浓度和通量均呈现出随社会经济发展的非线性变化，随收入水平变化的倒U型关系与环境库兹涅兹曲线理论相吻合，表明高收入国家更严格的环境规制和更高的水污染控制投入能有效降低河流温室气体的排放。

图3 全球城市河流温室气体浓度与通量的空间分布格局

基于研究团队前期在PNAS发表文章中提出的“动态河网”概念及核心理论工具（https://doi.org/10.1073/pnas.2106322119），研究估算了考虑河道季节性干涸与冰封条件下的全球城市河流温室气体排放。结果显示（图4），全球城市河流每年向大气中释放约1.1 Tg 甲烷、42.3 Tg 二氧化碳和0.02 Tg 氧化亚氮，合计约78.1 Tg 二氧化碳当量。温室气体排放量在不同收入群体和大洲之间表现出较大差异。其中，中高收入国家城市河流贡献了全球排放总量的41.7%，亚洲城市河流则为66.1%，二者的城市河流面积均占全球总面积的50%以上。进一步分析表明，全球城市河流单位面积温室气体排放量与非城市河流相比增加了近两倍，且与陆面人为二氧化碳排放强度具有可比性。从排放构成来看，与全球河流相比，甲烷和氧化亚氮在城市河流温室气体总辐射强迫中贡献了更高的占比，而二氧化碳的贡献占比有所降低。在未来全球城市化和气候变化影响程度持续加深的背景下，上述研究成果可为城市温室气体减排和水环境污染控制的政策制定与管理实践提供科学指导。

图4 全球城市河流温室气体排放

北京师范大学环境学院许文浩和我系王功芹博士为共同第一作者，北京师范大学环境学院夏星辉教授和刘少达副教授为论文共同通讯作者。论文合作者包括北京师范大学环境学院博士生王君峰，新罕布什尔大学William H. McDowell教授，上海纽约大学黄康宁助理教授，耶鲁大学Peter A. Raymond教授和广东工业大学杨志峰院士。研究得到了国家自然科学基金项目、国家重点研发计划项目和美国国家科学基金项目的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-024-01358-y