2022年8月，德国亥姆霍兹环境研究中心牵头，与阿尔弗雷德魏格纳研究所等机构合作，在德国中部易北河Tangermünde河段开展了一场为期3天的温室气体观测。团队将一支德国AMT公司光学二氧化碳传感器接入调查船的导流管，对溶解二氧化碳浓度进行连续走航与定点监测，结合漂浮箱、土壤箱与气相色谱等多种手段，比较了河流温室气体排放的小尺度空间差异与昼夜时间差异，为全球河流温室气体收支核算提供了方法学依据。相关成果于2024年发表于《Biogeosciences》。
研究背景
河流是全球温室气体的重要排放源：据估算，全球河流每年排放约2皮克二氧化碳和约30.5太克甲烷，但这些估算存在很大不确定性。传统核算方法依靠在少数点位定期取水样测浓度，再乘以估算的气体交换速率与水面面积，只能覆盖季节尺度和大尺度空间格局，而近年研究发现，河流温室气体通量存在显著的短时程波动与小尺度空间差异，给核算与尺度推绎带来双重挑战。
河流内的生境多种多样：19世纪以来欧洲许多河道以丁坝束窄主流以利航运，坝间缓流区泥沙淤积，成为甲烷的产生热点；水位波动又让部分河床间歇露出，干燥沉积物会释放大量二氧化碳。研究团队据此提出假设：空间差异对甲烷排放更重要，昼夜差异对二氧化碳排放更重要，并在盛夏低水期的典型河段加以检验。
研究过程
观测选在易北河中游Tangermünde处约1公里长的典型河段，两岸各有10座丁坝，最长伸入河道60米，坝间距约80米。2022年8月18日至22日观测期间流量为每秒189至197立方米，低于常年平均低流量，属典型夏季低水情，约9%的研究面积为干出河床。团队把水面划为河中央、岸边与坝间缓流区三类水生生境，把干河床分为沙质、泥质与植被覆盖三类陆生生境。
水体连续监测依托调查船进行：一支AMT光学二氧化碳传感器接入船载导流管，泵取表层水连续测定溶解二氧化碳，数据经温度对应溶解度换算为浓度，布放前还与气相色谱及红外分析仪比对核查；它随船走航绘制空间分布，并在码头系泊63小时连续记录时间变化。空间通量用漂浮箱配便携式气体分析仪在漂流中测定，每次2至5分钟；甲烷浓度用膜式脱气装置联机激光分析仪从充气艇上走航测量。陆上通量用便携箱在五处沙地、五处泥地与九处植被点测定，另有三台自动箱每小时记录一次干河床二氧化碳通量的昼夜过程。
实验结果
一、两类气体空间格局相反。 观测期间水体均处过饱和状态，向大气净排放。溶解二氧化碳浓度以河中央最高、向岸边与坝间递减；甲烷浓度则相反，岸边与坝间显著高于河中央。由于岸边紊动更强、气体交换速率约为河中央的两倍，甲烷通量在岸边与坝间显著更高，而二氧化碳通量在各水生生境之间并无显著差异——高浓度与低交换速率相互抵消，说明浓度与交换速率共同塑造通量格局。
图1. 德国AMT公司光学二氧化碳传感器：钛合金壳体、膜覆盖单光束双波长NDIR光学测量
图2. 不同生境类型二氧化碳与甲烷通量箱线图（论文 Figure 4）
二、干河床贡献了约一成排放。 干出河床的二氧化碳通量高于水面，其中植被覆盖点最高、泥质点次之、沙质点最低，与沉积物有机质含量和根系呼吸有关；干河床甲烷通量则比水面低两个数量级以上。按面积加权，该河段约90%的温室气体排放来自水面，10%来自干河床——忽略干河床将系统性低估河流碳排放。
图3. 研究河段位置与生境类型划分（论文 Figure 1）
三、二氧化碳昼夜节律显著且因生境而异。 AMT传感器63小时连续记录显示，水体温盐与溶解氧呈清晰的昼夜波动，溶解二氧化碳浓度夜间攀升、白天下降，换算通量的昼夜振幅约每平方米每小时5毫摩尔，峰值出现在凌晨5时前后、谷值在19时前后；甲烷浓度与通量则全天恒定。陆上各生境的二氧化碳昼夜形态各不相同：植被点与水体类似但相位后移，正午最高；泥质点白天转为净吸收；沙质点几乎无昼夜变化。
图4. 水体与陆上各生境二氧化碳、甲烷通量及环境要素的时间序列（论文 Figure 5）
四、变异度对比证实气体特异性。 变异系数分析显示，水生生境中二氧化碳的时间变异度高于甲烷，而甲烷的空间变异度更高，与假设一致。团队进一步用数据模拟不同监测策略的偏差：只在白天于岸边采样将使总排放被低估约50%，主要漏掉夜间更高的二氧化碳通量；而在岸边只布放一支二氧化碳探头连续监测，总排放当量的低估仅约7%。
图5. 甲烷与二氧化碳通量空间和时间变异系数对比（论文 Figure 6）
图6. 不同监测策略相对最优策略的排放偏差（论文 Figure 7）
研究结论
这项研究证明，河流温室气体核算必须同时考虑气体与生境的特异性：甲烷排放的空间差异不可忽略，二氧化碳排放则必须覆盖昼夜循环，且不同生境的昼夜形态并不相同。只在白天采样会大幅低估排放，而在固定点位布放二氧化碳传感器连续监测则能以很小偏差捕捉大部分排放信息，这类高频率传感器正在成为改进全球河流二氧化碳排放估算的关键工具。
对河流、湖库与河口碳通量监测的用户而言，这一结论指向明确的装备路线：在岸边或船上布放一支响应快、可长期连续工作的二氧化碳传感器，即可以约7%的偏差量级覆盖二氧化碳排放的主体信息。德国AMT公司深耕水环境电化学与光学分析测量，其微传感器响应迅速、钛壳防护、尺寸紧凑，提供在线与自容两种版本，测量参数覆盖二氧化碳、硫化氢、总硫、溶解氧、氢、臭氧、pH、氧化还原电位与电导率，并配有专用校准装置。像本研究这样接入船载导流管进行走航与定点连续监测，正是AMT二氧化碳传感器在淡水水体中的典型用法。
参考文献
Koschorreck, M., Kamjunke, N., Koedel, U., Rode, M., Schuetze, C., Bussmann, I. Diurnal versus spatial variability of greenhouse gas emissions from an anthropogenically modified lowland river in Germany. *Biogeosciences*, 2024, 21: 1613–1628. https://doi.org/10.5194/bg-21-1613-2024
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