城市化对河流碳排放的影响研究进展

邓淋月 刘非 陈垚 侯一帜 袁绍春

摘要：

城市化造成的人类活动加剧，不仅打破了河流系统的碳循环平衡，还增加了河流系统的碳排放通量，对全球碳减排产生了消极影响。“双碳”（碳达峰与碳中和）背景下掌握城市河流碳排放特征及其影响因素，有助于合理制定流域生态治理（恢复）策略，保障城市生态系统可持续发展。探讨了城市化对河流碳排放的影响，总结了城市河流碳排放的关键影响因子，并提出该领域研究今后的发展方向。结果表明：城市河流碳排放通量明显高于人为干扰较少的自然河流，根据城市化对河流系统的干扰，将碳排放影响因素归纳为水环境因子、水文特征因子、气象因子和季节因子四大類型。水环境因子中，水温与碳排量呈正相关关系，DO和pH与之呈负相关关系，而营养盐因其营养负荷的不同使得河流系统中藻类物质主导的代谢方式不同，从而对河流系统中碳排放的影响不尽相同；水文特征因子中，高流速（一定范围内）会促进碳排放的增加，而流量和水位的变化大多会受水环境因子的间接影响而表现出对碳排放影响的不确定性；气象因子中，风速较大时会促进碳排放，气压则与之呈负相关关系；对季节因子的研究中，普遍认为碳排量在秋季较高，夏冬季适中，春季较低，但也有可能昼夜温差较大、表现为夏季碳排量较高。研究结果可为“双碳”背景下的城市河流生态治理（恢复）提供科学依据。

关 键 词：

碳排放通量； 温室气体； 城市化； 城市河流； 碳达峰； 碳中和

中图法分类号： X703

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2023.05.011

0 引 言

河流系统是连接陆地与海洋生态系统两大活动碳库的桥梁，是全球生物地球化学循环的主要部分［1］。河流系统在全球碳排放通量中的占比很小，但却是单向的，并与森林火灾和化石燃料等行业的碳排放通量处于同一数量级［2］。河流系统不仅运输陆源碳到海洋系统，同时也是大气中CO2和CH4两种温室气体的重要来源［3］。根据估值进行计算，世界河流CO2的年排放量约为1.8Pg［4］，CH4的排放量在1.5～26.8 Tg之间［5-6］，且CH4最大排放量约占全球CH4年均总量的5%［7］。由此可见，河流碳排放对温室气体的贡献不容小觑。全球经济化加速了此类温室气体浓度的提升，与工业革命之前相比有了大幅度的增加，从而导致全球平均气温升高了0.3～0.6 ℃［8］。

河流及其相连水系发挥着交通航运、供水水源、生态调节等重要作用，但城市化使中国大部分城市河流出现了不同程度的水体污染，导致城市水环境恶化和水生态退化，形势不容乐观。生态环境的恶化不仅破坏了河流系统碳循环的自然状态，还可能在短期甚至长期尺度下加剧碳排放。已有研究表明：城市化打破了河流碳生物地球化学循环的平衡，增加了河流中CO2排放量［9-11］，并使河流系统中CH4的来源、转化和排放受到强烈影响［12-14］。但目前关于河流碳排放的相关研究主要集中在大江、大河等大型水体上［15-17］，对于城市河流碳排放特征及其影响机制的研究较少，尤其在河流治理对碳排放响应和反馈的影响研究方面较少。本文基于城市河流碳排放研究所存在的知识缺口，通过对近年来城市河流碳排放相关研究进行梳理，探讨了城市化对河流碳排放的影响，总结了城市河流碳排放的关键影响因子，并提出该领域研究今后的发展方向，旨在为“双碳”（碳达峰与碳中和）背景下的城市河流生态治理（恢复）提供科学依据。

1 河流系统碳循环过程

河流碳循环是指陆地系统中不同源的碳元素在机械、生化及人类活动等作用下以各种不同形式进入河网系统并随之输移的全过程［1］。河流系统中的碳素可分为溶解有机碳（DOC）、颗粒有机碳（POC）、溶解无机碳（DIC）、颗粒无机碳（PIC）等形式。其中，河流中有机碳主要来自陆源输入（外源）和生物转化（内源）两个途径［18］。而河流中无机碳则来自水体沉积物中碳酸盐岩、含碳沉积岩的机械侵蚀，有机碳的矿化分解或大气输入的CO2。

随着人类活动对城市河流的干扰和破坏，城市河流自然性遭到破坏，使得河流水质恶化，水文特征发生极大改变，其生态功能遭到严重破坏［19］。由于城市河流受到城市化的显著影响，碳素在河流系统中的生物地球化学循环发生了显著变化。首先，大量污染负荷的输入使得城市河流可能携存大量有机污染物，导致DOC含量相对较高［9］。而这些不稳定碳源，在氮源的影响下可能会刺激河流微生物原位呼吸，进一步加剧河流系统中水体的异养代谢过程，促进CO2产生，并为CH4的生成提供了厌氧条件。可见，河流的城市化显著影响了河流系统的碳循环过程，进一步加剧碳排放。其次，城市建设过程中使用的含碳酸盐矿物的建筑材料，也为河流系统中CO2的产生提供了碳源［20］。此外，Raymond等的研究也证实了城市化显著增强了河流系统向海洋系统的碳输移［21］。因此，城市化对河流系统碳循环的影响不容小觑。

2 城市河流碳排放特征

近年来，关于人类活动对生态系统影响的研究越来越多，其中城市化带来的一系列河流生态系统结构、功能的改变受到广泛关注。通过对河流CH4和CO2排放的研究发现，河流碳排放受多重因素影响，尤其是大多数城市的江河由于城市化过程而被破坏，破坏了原有的天然生态系统［22］。国内外研究表明，城市化对河流碳排放可能产生重要影响。Raymond等［20］相关调查数据显示，城市地区的发展使河流淡水生态系统中的有机碳组成成分发生变化。Lofton、Damashek等［23-24］也指出，城市化加剧了土地利用模式的改变，导致河流生态系统中碳、氮负荷増加。这些由人类活动所造成的污染，会使水质恶化、甚至产生富营养化等一系列环境问题，同时使河流生态系统排出大量CH［25-26］4。同时，也有研究表明城市化加快了河流从陆源碳传输者向转化者的转变，增强了原位CO2的产生［27］。虽然国内外学者对河流碳排放空间格局、时间变化、影响因素，以及区域碳平衡贡献等方面开展了深入研究，但针对受城市化影响的河流系统碳排放研究相对较少。国内典型城市河流碳排放监测结果（见表1［9，28-31］）表明，流域的城市化显著增加了河流的碳排放通量。其他研究也证实，高度城市化区域内的河流温室气体排放通量是周边城市化程度较低河流的几到几十倍［28-32］，尤其是流域的城市化会使河流中的CO2分压（pCO2）增加2倍以上［33-34］。同时，污染物的排入也加剧了城市河流CH4的排放［32，35-36］，使排污河段（如污水厂尾水排放口［35］）的碳排放通量显著增加甚至高达非排污河段的10倍［33］。总体而言，城市河流碳排放通量明显高于人为干扰较少的自然河流，且碳排放通量受河段污染程度影响。当前城市化导致河流碳排放通量的剧增已成为中国城市面临的棘手环境问题［37-38］。

3 城市河流碳排放影响因素

由于城市化的不断推进，人类活动对河流流域的干扰程度不断加深，从而影响了河流碳循环过程，而碳循环平衡的打破对河流碳排放也具有一定影响。土地利用、河道改造和大壩修筑等人类活动会直接改变原有的河流水文及水力过程，进而改变河流内部碳循环过程，增加碳排放的不确定性［39-40］；生产、生活产生的点源和面源污染过程，会对河流水环境生态系统产生影响。研究发现，向河流排放的大量工业废水和生活污水可通过改变河流碳循环状态而影响河流有机碳含量、组成等性质，最终影响河流生态系统［41-42］。如Hosen等［43］研究发现，人为干扰可加剧水体溶解性有机物的不稳定，改变河流营养状态，造成河流中有机碳的归趋发生显著变化，最终可能加剧城市化河流CO2的排放。此外，已有研究表明，如果长期向河流系统输入可利用的氮、磷营养物质，水体中的碳循环以及初级生产过程可使河流系统保持数十年的CH4和CO2持续排放［44］。同时随着城市化进程的不断推进，由人类活动产生的大气污染、人工热源和热岛效应等对季节气候的干扰程度也不断加剧，从而形成有季节气候因子特征的河流系统碳排放。综上，本文结合相关文献［3］将城市化对河流系统干扰碳排放的影响因素归纳为水环境因子、水文特征因子、气象因子和季节因子四大类型。通过对这四类因子的分析归纳，探究城市化造成的河流水质恶化、水文特征改变和气候季节性变化对河流碳排放的影响（见图1），以总结分析城市化过程对河流碳排放的影响机制。

3.1 水环境因子

3.1.1 水 温

水温是影响水-气界面CO2和CH4排放的一个主要因素。在河流系统中，水温可以通过影响水体中微生物的代谢过程而改变其对有机质的降解速率；它还可以影响水对CO2的吸收从而影响碳循环的过程，也可以影响水中CO2的溶解性，进而改变排放通量［45-47］。不同的实验结果表明：城市河流温室气体排放量与水温呈极显著正相关的现象，沉积物中微生物活性可能会随着温度的升高而得以提升，并在一定程度上降低了温室气体在水中的溶解度［9，48-49］。但同时也有其他的相关研究认为城市河流中营养供应的变化率强于温度对微生物代谢的调控影响，从而使温室气体排放通量与水温并无关联［29］。综上，当水温为水环境中主导的影响因素时，可以通过促进微生物代谢从而增加河流系统的碳排放量。

3.1.2 溶解氧（DO）

DO在一定程度上决定了水体中生物的代谢路径和相关产物，同时也会对水体的元素循环和水分子循环产生重要影响［50］。城市河流由于人类活动的显著干扰而受到污染，通常表现出DO含量较低，并易形成黑臭水体。由于河流中大部分CH4的产生来源于厌氧条件下沉积物中有机物的产甲烷过程［28，51］，显然低含量的DO更利于CH4的产生，且相关研究也证实受污染的城市河流中DO与CH4呈显著负相关［52］，可采用DO对CH4浓度实现较好的预测［30］。此外，河流中浮游植物的光合作用过程，使得水体中CO2与O2之间呈现出相反的代谢过程，并体现在亚热带河流和湖泊中［53-54］。同时在受城市化影响较大的河流中也发现，CO2与DO呈显著负相关［55］。一般情况下，受城市化影响污染较严重的河流中DO含量均较低，且河流系统中碳排放量随着DO含量的降低而升高。

3.1.3 pH

pH是影响CO2和CH4产生和排放过程的重要因素之一［56］。城市化引发的河流水体污染具有随机性，从而导致不同河段的pH值差异较大。研究表明：pH可通过影响温室气体在水中的分压，甚至直接影响水体碳酸盐平衡而改变水体CO2，从而导致温室气体在水-气界面释放的不稳定［48］。同时，pH还可影响微生物活性和水生生物的代谢能力，进而对CH4代谢过程产生不同程度的影响［36，57］。如陈仲晗等［58］在对城市感潮河流——潭江开平河段的研究中发现，CO2交换通量与pH呈显著负相关。该现象与大部分的都市河（北京温榆河、重庆黑水滩河、土耳其Tigris河）CO2交换通量和pH之间的关系一致［52，59-60］。同样，在三峡库区5条高度城市化的河流中也发现［30］，CH4和pH值呈负相关，并认为CH4浓度越高，越易氧化成CO2，从而降低水体pH值。

3.1.4 营养盐

城市化过程加剧了碳、氮和磷等营养盐输入到城市河网中，过量的氮磷负荷输入也易造成河流发生富营养化［61］。已有研究表明［44，62］，生物可利用氮磷的持续供给会使水体生物地球化学循环过程发生相应改变，并不断维持水体碳循环和初级生产过程，因此导致CH4与CO2大量的排放。水体中的富营养化情况也导致藻类的生长飞速上升，而藻类会通过腐烂和沉积过程进入到河床沉积物上增强产甲烷作用，进而提高水体中CH4浓度［63］；另外氮输入也可刺激产甲烷古细菌和产甲烷细菌的代谢活动，加速产甲烷过程，从而使CH4和总氮之间呈负相关［64］。由于产甲烷过程受氮形态的影响，导致营养盐的输入对CH4的影响也呈现出较大的差异性［65］。同时氮磷营养盐的持续供给也会显著影响CO2的产生过程。相关研究证实［35，66-67］，河流系统中高浓度营养盐的输入对藻类的呼吸作用和随后的CO2生产有促进作用，进而表现出污染河段中CO2与营养盐含量呈正相关。但也有研究认为［68］，较高的营养负荷可提高水生光合作用的生物活性，导致更多的CO2被吸收，进而表现出CO2与营养盐含量呈负相关。由于不同程度下的营养负荷使河流系统中藻类物质主导的代谢方式不同，从而河流系统中碳排放所受影响不尽相同，因此对于具体研究河段需具体分析。

3.2 水文特征因子

城市化通常会对天然河道进行改造和渠化，导致糙率降低，水流加快。同时，传统城市开发采用的高效水力快排系统，增强了城市河流汇流的水力效应，使得径流过程缩短，径流峰值增加，造成河流水位急升陡降。本文选择流速、流量和水位3个典型水文特征因子对城市河流碳排放过程的水文影响进行总结分析。

3.2.1 流 速

流速是影响表层水体湍流度和破碎度的关键因素。较大的流速会增强水-气界面间的气体交换作用，从而增大气体逸出通量［69］。史红岩［70］在黄土高原河流水体中的研究发现，流速与气体交换速率呈极显著正相关关系。Hofmann［71］发现尽管较高的流速能加速CH4的排放，但高流速所引起的水体扰动也直接破坏了产甲烷的厌氧环境。这主要由于河流中CH4主要源于沉积物中产甲烷作用，而高流速造成的沉积物悬浮过程也会导致水体CH4浓度发生相应变化。相关研究也表明［72-74］，河流流速与水体CO2排放通量存在直接关系。高流速条件可增加水体势能，进而加速河床底部沉积物的悬浮过程，促使沉积物中有机碳和无机碳高效参与气体交换，最终加剧水体CO2的排放［75］。由于产甲烷的厌氧环境与高流速下所产生的水体扰动相悖，因此高流速在一定范围内会对河流系统中碳排放通量产生促进作用。

3.2.2 流 量

城市化不断增加着不透水地面比例，使得城市水文过程发生显著变化，导致河流径流量和峰值流量不断升高。在高流量期间，由于外源CO2的大量流入和积累，河水中CO2的含量和流量也同步增加［76-78］。同时，流量的增大也会增加河流水位，导致深层水体的温度发生变化，进而影响有机物的相关分解速率。研究发现［79］，河流中CH4浓度与河流流量呈负相关，认为高流量可增强水体对CH4的稀释效应，扰动河床沉积物，最终影响水体中CH4浓度，即高流量下，虽然河流系统中外源CO2和CH4的积累增多，但实质上受到水环境因子、水位等其他间接影响，从而使河流系统碳排放影响具有不确定性。

3.2.3 水 位

水位变化会导致水体水温出现分层现象，并随水深而逐渐降低，进而影响有机物的降解过程。低水位期，水体光热条件适宜，适合藻类生长，这时，光合作用大于呼吸所产生的作用，导致水体中CO2的大量流失，出现碳汇现象（即通量为负）；反之，在高水位的时候，温度会降低，整个藻类都会处于休眠状态，并以呼吸作用为主，导致CO2通量增大［80］。水位还会直接影响CH4在沉积物-水体界面中的上升传输过程：低水位时，CH4以气泡传输为主；高水位时，则以扩散传输方式为主；且气泡传输较扩散传输的传输速度快，使得CH4排放量也较大［81］。而城市河流水位普遍较低，更易发生CH4的上升传输，造成CH4排放通量的增加。韩洋［82］在南京市团结河和外秦淮河温室气体排放的研究中发现，水位对CH4和CO2排放通量的影响不尽相同，在此基础上，CH4的释放通量与水位之间存在着显著的负相关性，CO2的释放通量与水位成正比，但水位变化对河流温室气体排放的影响较为复杂，难以得到一致性的规律。

3.3 气象因子

3.3.1 风 速

一般而言，河流系统中CO2和CH4的排放通量受氣体交换系数的影响，而气体交换系数又与风速有关。现有研究证实［83］，风速是影响河流碳排放通量的一个关键因素。风速对CO2和CH4通量的影响，主要通过风力作用增加CO2和CH4的交换通量；还可通过干扰藻类的光合、呼吸作用，使水面的分压发生突变，进而造成水气交换通量的增大或减小［47］。目前，国内外研究学者在风速对河流系统碳排放通量的影响结果上存在较大差异，且尚未得到明确的结论。胡晓婷［84］研究认为，风速是影响上海市主要河流冬夏季水-气界面碳排放通量的关键因子。而Duchemin等［83］发现，风速对CH4通量的影响可忽略，但当风速接近3 m/s时，可显著提高CO2平均通量。同时也有研究表明，由于风速较小，风速与碳排放通量的相关性不明显［85］，推测可能是由于城市河道自身的特性，使其更易在风速较大时受到风力的影响。

3.3.2 气 压

气压是影响河流系统中CO2和CH4排放的重要因素。CO2和CH4在水中的溶解度会直接受到气压的影响。此外，气压还会通过影响水体的DO浓度，间接对CO2和CH4产生影响。因为压强的增长，导致气体的溶解度也增大，但当大气压降低时，就会有较多的CO2和CH4物质被释放，因此河流就变成了强排放源。陈袁波［86］的相关理论研究结果表明：大气压力与CO2的流量有明显的负相关性，CH4是在好氧的条件下被氧化的，空气压力对水中的DO含量有很大的影响。

3.4 季节因子

河流系统中CO2和CH4排放通量普遍随季节变化而发生变化，主要是由于季节变化使温度、降雨量等因素发生改变，从而造成碳排放通量呈现季节性差异［28，87-88］。Raymond等［89］发现河流中CO2呈现出显著的季节变化，其中秋季较高，夏季和冬季适中，而春季最低，这与Wang等［31，36］的研究结果一致。有研究表明［16，90］，适度降雨可增强土壤呼吸作用，随后的地表径流过程可携带CO2进入河流，进而提高水体CO2。由于冬季气温降低，降水量也较少，使得土壤微生物呼吸作用、陆源CO2侧向转移和河道内代谢过程受到限制，最终导致冬季CO2普遍较低。但也有研究表明［34，91］，春季的CH4浓度较其他季节高一个数量级，这主要是因为春季枯水期较长，而其他季节受洪水期对有机物的稀释效应影响。此外，部分研究发现［53，92］，河流中CH4通量的最大值出现在夏季，主要受昼夜温差影响。可见，目前关于季节对碳排放的影响并未形成一致性的结论，但可通过分析季节变化所导致的环境因子变化来推断碳排放通量的变化规律。

4 结论与展望

城市化的快速发展导致城市河流系统不断被人类活动干扰，人类活动可直接或间接影响城市河流系统碳循环过程，最终导致CO2和CH4的大量排放。相较于自然河流，城市河流的碳排放通量普遍较大，甚至高达前者的几到几十倍。其中，城市河流碳排放受水体污染、水文特征改变、气候变化和季节变化等因素的影响，且不同因素对碳排放机制的影响也不尽相同。

如今，人们越来越重视城市河流生态系统的修复，尤其是开始关注城市河流生态修复与碳排放之间的关联性。但由于人类活动与城市河流之间的响应关系仍未完全明确，这更需要研究者从根源上去追溯人类活动对河流碳源的影响机制，从而掌握河流碳排放的变化规律。关于城市河流碳排放的研究还可从以下几方面加强。

（1） 在典型城市建立长期碳排放监测网络，并对河网碳排放通量进行分类预测，进一步研究构建和完善碳排放核算与预测模型，以为中国实现“双碳”目标提供理论依据。

（2） 地貌特征是影响河流代谢和碳排放的重要因素，但相关的研究较少，且城市河流的地貌特征相对特殊，应完善其对城市河流碳排放的影响机制研究，以早日填补这一领域的空白。

（3） 城市河流碳排放空间格局和时间动态不仅受人类活动的干扰，同时还可能受到自然过程的影响。探究人类活动与自然气候变化双重影响下城市河流的碳排放特征，进一步完善河流系统碳排放影响机制，有助于中国“双碳”目标的实现。

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（编辑：刘 媛）

Abstract：

The intensification of human activities caused by urbanization not only breaks the carbon cycle balance of the river systems，but also increases the carbon emission flux of river systems，which has a negative impact on global carbon emission reduction.Mastering the carbon emission characteristics and the influencing factors of urban rivers in the background of double carbon（carbon peak and carbon neutrality）is helpful to formulating a reasonable strategy for watershed ecological management（restoration），and to ensuring the sustainable development of urban ecosystems.This paper discussed the impact of urbanization on carbon emissions in rivers，summarized the key influencing factors of urban river carbon emissions，and proposed the future direction of research in this field.The results showed that the carbon emission fluxes of urban rivers were significantly higher than those of natural rivers with less human disturbance，and according to the urbanization disturbance on river systems，the carbon emission influencing factors were categorized into four major types：water environment factor，hydrological characteristic factor，meteorological factor，and seasonal factor.Among water environment factors，the water temperature was positively correlated with carbon emission，DO and pH were negatively correlated，and the algal dominated metabolic modes in river systems were different due to the different nutrient load of nutrient salts，so the carbon emission from algal was diverse.Among the hydrological factors，high flow velocity（within a certain range）would promote carbon emission，while changes in flow and water level were mostly indirectly influenced by water environmental factors and showed uncertainty in carbon emission.Among meteorological factors，high wind speed would promote carbon emissions，while air pressure was negatively correlated with it.In the study of seasonal factors，it was generally believed that carbon emission was higher in autumn，moderate in summer and winter，and lower in spring，but it was also possible that the temperature difference of days and nights was higher in summer，which resulted in higher carbon emission in summer.The results of this study can provide a scientific basis for the ecological governance（restoration）of urban rivers in the context of double carbon.

Key words：

carbon emission flux；greenhouse gases；urbanization；urban rivers；carbon peak；carbon neutrality