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

上游大壩區域未出現甲烷熱點：以中國三峽水庫某支流為例的研究  

來源：Science of the Total Environment, volume 754, article number 142151, 2021  

《總體環境科學》第754卷，文章編號142151，2021年

 

摘要內容

 

研究以三峽水庫（TGR）支流玉林河為對象，探究筑壩對沉積物碳氣體（CH?和CO?）濃度及甲烷排放的影響。結果表明：  

1. 筑壩效應：筑壩導致上游沉積物總有機碳（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），主要因水位波動引發河岸侵蝕，增加下游沉積物TOC（圖4）。  

 

3. 關鍵機制：水位波動通過影響沉積物TOC累積和水深，調控冒泡通量和甲烷氧化效率（圖5）。  

 

研究目的

 

1. 量化三峽水庫不同運行周期（高水位期HRL vs. 低水位期LRL）對筑壩支流沉積物碳氣體空間分布的影響。  

2. 揭示CH?排放途徑（擴散 vs. 冒泡）的時空差異及其驅動機制。  

3. 評估筑壩支流是否為甲烷排放熱點，為水庫溫室氣體核算提供依據。  

 

研究思路

 

1. 采樣設計：  

   ? 選取玉林河筑壩段，設置4個點位（1個壩下DW，3個壩上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. 參數測量：  

   ? 沉積物特性：TOC（圖2a）、DOC（圖2b）、溫度、DO。  

 

   ? 碳氣體濃度：沉積物孔隙水CH?和CO?（表1-2）、上覆水CH?（圖3）。  

 

   ? CH?通量：擴散（薄邊界層法）和冒泡（自動氣泡捕獲器）（圖4）。  

 

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

 

3. 數據分析：結合水文參數（水深、流速）和微生物數據，解析碳氣體生成與排放的驅動機制。  

 

測量數據及研究意義

 

1. TOC與DOC（圖2）：  

   ? 數據：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：證實筑壩導致上游有機碳沉積，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）：  

   ? 數據：低水位期沉積物CH?濃度（142.79 ± 82.03 μmol L?1）遠高于高水位期（8.91 ± 6.84 μmol L?1），CO?呈現類似趨勢。  

 

   ? 意義：溫度升高和TOC積累共同促進產甲烷作用，低水位期微生物活性增強。  

 

3. CH?通量（圖4）：  

   ? 數據：高水位期以擴散為主（上游通量更高）；低水位期冒泡占主導，下游通量（169.173 mg m?2 h?1）遠超上游。  

 

   ? 意義：揭示排放途徑的時空轉換——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：  

   ? 數據：低水位期mcrA基因（產甲烷菌）拷貝數增加，pmoA基因（甲烷氧化菌）在沉積物表層富集。  

 

   ? 意義：微生物群落響應環境變化，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?仍導致大量排放。  

 

結論

 

1. 空間格局：筑壩使上游沉積物TOC和碳氣體濃度更高，但甲烷排放熱點出現在下游而非上游。  

2. 時間動態：  

   ? 高水位期：上游擴散通量主導，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. 關鍵驅動：水位波動通過河岸侵蝕增加下游TOC，同時淺水環境促進冒泡，而甲烷氧化無法完全抵消高生成量。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

 

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

1. 揭示氧化還原分層：電極數據顯示DO滲透深度在低水位期減少，表明沉積物厭氧層擴大，為產甲烷作用創造有利條件。  

2. 關聯微生物過程：DO梯度與mcrA/pmoA基因分布耦合（圖S4），證實產甲烷菌在深層厭氧區活躍，而甲烷氧化菌在表層好氧區富集，解釋低水位期高CH?生成但氧化效率受限的現象。  

3. 支持通量機制：淺水區（如下游DW）DO滲透淺，結合低水力壓力，共同促進冒泡通量主導的排放模式（圖4），凸顯電極數據對解析“沉積物-水-氣”傳輸路徑的關鍵作用。  

 

科學價值：Unisense電極提供沉積物微尺度氧動態的直接證據，將微生物活動與水文條件（水深、溫度）關聯，為水庫甲烷排放模型提供機理支撐。