地表水覆盖了地球近四分之三的面积，通过储存和排放温室气体在地球的碳循环中发挥着关键作用。但它到底发挥了多大作用，以及它在帮助减缓气候变化方面的潜力仍然是一个问题。

在过去的一年里，Ben Girgenti '22 MESc 一直在耶鲁自然保护区的泥泞中挖出一桶桶的迷你湿地来测试减少排放的方法。

在佛蒙特州的东北王国，YSE 教授 Peter Raymond 和 Jim Saiers 以及他们的同事耶鲁大学地球与行星科学副教授 Noah Planavsky 正在与一组学生合作，在分水岭上撒播碎石。 

在美国南部，博士生 Jonathan Gewirtzman 和 Frannie Adams '23 MESc 正在测量甲烷排放量，以探索气候驱动的干扰对佛罗里达大沼泽地的影响。 

他们是 YSE 的几位研究人员之一，他们从事涉及水生态系统的两个关键项目：减少排放和增加碳吸收。

排放因子 

随着世界各国领导人寻求将工业化前时期的全球变暖控制在 1.5 摄氏度，以避免气候变化造成最具破坏性和最广泛的影响，加深我们对水体排放对全球预算的贡献程度的理解已成为越来越多的关注点国际科学界。

劳拉·洛佐佐 (Laura Logozzo) 一直在康涅狄格州的水体中取样，以检查溶解的碳和其他与水质相关的测量值。她在这里对 Bunnell Brook 的水质探测器进行维护。 

直到 10 年前，还没有关于地球上水体总表面积的确切数字。2013 年，Raymond 及其同事绘制了第一张全球地表面积和碳排放量地图。他们发现水体每年以二氧化碳的形式排放 20 亿吨碳。他们的报告发表在《自然》杂志上，是雷蒙德引用最多的研究之一，促使人们进一步调查人为排放和通量。  

“这主要是自然过程的一部分，不像化石燃料的排放，”生态系统生态学教授雷蒙德说，他的本科生工作重点是哈德逊河的二氧化碳排放。“但是当你试图弄清楚不同地区有多少人为排放量和通量时，了解这一点就变得很重要，而且这个数字足够大，可以在全球大气 CO2 建模中考虑。”

引起 YSE 研究人员注意的不仅仅是水体排放和储存了多少碳和其他温室气体。这也是水体中溶解碳的年龄。 

Peter Raymond 教授实验室中的光氧化室和真空管线用于将溶解的有机碳转化为二氧化碳以测量碳年龄。

博士生 Laura Logozzo 一直在从康涅狄格河采集样本，以确定溶解有机碳的年龄。在过去的两年里，她从河流沿线的五个不同区域采集了样本，以做以前没有做过的事情：关注河流中溶解有机碳随时间推移的年龄。  

她从她的样本中发现的——以及储存在实验室中的旧样本可以追溯到五年多以前——提出了一个可能令人不安的问题，需要进一步调查：在河流样本中发现的溶解有机碳比以前的样本要古老得多。

“这意味着与进入河流的新鲜碳相比，旧碳的数量正在增加，”她说。 

如果河流中存在较老的溶解有机碳，则意味着曾经储存在陆地土壤和森林中的碳已经进入河流，可能成为释放到大气中的二氧化碳的新来源。虽然研究尚未确定河流中存在较老的溶解碳的原因，但它可能是气候变化引起的干旱的结果。流域的城市化和农业利用也可能导致旧碳土壤池的疏浚，这些土壤池随后暴露并被冲入河流。  

“这很糟糕，因为你基本上失去了陆地上储存的所有碳，”Logozzo 解释说。“如果你没有测量实际离开这些土壤进入河流的碳，那么你可能高估了这些生态系统在储存碳方面的能力。”

不仅仅是碳  

为了更全面地了解水体的排放量，YSE 研究人员还在研究甲烷和一氧化二氮的排放量。虽然它只在大气中存在十几年，但甲烷比二氧化碳更有效地吸收热量，占工业时代大气变暖的 25%。一氧化二氮分子的变暖效果大约是二氧化碳分子的 300 倍，而且与甲烷不同，它可以在大气中持续存在一个多世纪。 

去年春天，由博士后研究员 Judith Rosentreter 领导并与 Raymond 合着的一组研究人员进行的一项研究发现，水生生态系统和湿地至少占全球甲烷排放总量的一半。作者审查了 15 个主要的自然、人造和受人类影响的水生生态系统和湿地（包括内陆、沿海和海洋系统）的甲烷通量。这些水生生态系统的综合排放可能是比农业或化石燃料燃烧等直接人为甲烷来源更大的甲烷来源。研究指出，这些水生生态系统的排放量也受到人类活动的影响，因此追踪很重要。 

YSE 博士后研究员 Taylor Maavara 一直在探索一个独特的研究领域：水力发电的关键组成部分水坝如何影响一氧化二氮和其他温室气体排放。未来几年，地球上几乎 90% 的河流都将建有水坝。虽然它们在发电时提供的碳密集度较低，但水电大坝在很大程度上影响水体排放。 

“地球上可能有多达 70,000 个大中型水库。如果你试图从已研究的 50 个水库中推断出排放量，就会存在巨大的不确定性，”她说。 

她的研究主要集中在水库、河流、湖泊和河口排放了多少一氧化二氮——而且排放量很高。 

“内陆水域排放的一氧化二氮量与欧洲一个国家的排放量大致相同。这是一个很大的数额，”Maavara 说。“另一个发现是水库是最有效的内陆水源。随着我们继续修建大坝，我们可能会增加内陆水源的一氧化二氮排放量。”  

为了缓解这种情况，她主张放弃水坝必须是永久性的观念，并建议重新配置水坝运营时间表。   

“我们真的需要一个大坝整个生命周期的计划。我们必须摆脱我们正在永远建造一座大坝的想法。大坝应该有一个时间表。在某一点之后，它们应该退役和解构，”她说。 

蓝碳的承诺

虽然水体是排放源，无论是人为排放还是自然循环排放，但它们也会将碳储存在有希望成为自然气候解决方案的水平上。  
“蓝碳”一词于 2009 年首次被创造出来，是对这些储存碳的生态系统的潜力的认可，这些生态系统有助于将全球平均气温上升限制在远低于 2 摄氏度——大气临界点。包括盐沼、红树林和海草在内的蓝碳生态系统 (BCE) 每年每公顷固存的碳量都高于热带森林。  

根据发表在 PLOS ONE 上的研究报告“估算沿海植被生态系统转化和退化产生的全球‘蓝碳’排放量”，沿海生态系统的退化和清除导致每年向大气排放 0.15 至 10.2 亿吨二氧化碳. 研究指出，这些排放量相当于全球森林砍伐排放量的 3%–19%。

然而，目前只有约 1.5% 的全球 BCE 被纳入海洋保护区。根据 2019 年可持续海洋经济报告高级别小组的报告，到 2050 年，在全球范围内保护、管理和恢复这些生态系统以及海藻养殖每年可减少多达 14 亿吨二氧化碳当量的排放量。

量化 BCE 的碳储存潜力以及如何最大化它是 YSE 研究人员正在进行的几项新实地实验的重点。  

雷蒙德的实验室将使用小型汽车大小的新型瑞士制造仪器，根据他希望与来自世界各地水体的合作​​伙伴收集的样本计算蓝碳封存周期的时间线。雷蒙德说，这将使研究人员能够更好地了解封存过程和增强它的方法。 

走进红树林

在美国宇航局和耶鲁自然碳捕获中心的资助下，来自雷蒙德实验室的学生亚当斯和格维尔兹曼在佛罗里达州进行实地考察，正在研究气候变化和极端天气事件对大沼泽地蓝碳储存能力的影响，以及破坏是否会增加甲烷排放量。

海平面上升、农业、飓风、水流变化和区域发展导致大沼泽地退化。   

NASA 将率先在该地区进行空中飞行，以测试大气中的排放物。Gewirtzman 说，YSE 的团队将专注于可以抵消生态系统中碳吸收和储存的树木和水体的甲烷排放。

该研究将有助于量化蓝碳生态系统的潜力，有助于为生态系统保护和管理、气候建模和碳信用市场提供信息。  

“我们正试图了解储存在这些系统中的碳对气候变化的脆弱性，”Gewirtzman 说。

红树林是热带地区碳含量最高的森林之一，但根据蓝碳倡议，在过去的 50 年里，全球有 30% 至 50% 的红树林已经消失。  
“通过我们正在进行的工作，我们将能够更好地准确评估红树林作为蓝色碳汇的影响力，”亚当斯说。“我认为最令人兴奋的发现之一是，如果恢复的地点和未受干扰的地点比受干扰的地点做得好得多。然后我们可以为恢复和保护红树林提出更有力的理由。” 

迁移盐沼 

YSE 高级讲师和水资源与环境化学研究科学家 Shimon Anisfeld 一直在追踪气候变化对盐沼的影响，盐沼将碳储存在泥炭中。海平面上升一直是沿海盐沼的主要压力，这可能导致它们崩溃并释放碳。  

“我担心 50 年后，随着海平面加速上升，我们的许多沼泽地都会消失，”安尼斯菲尔德说。

他的研究表明需要规划沼泽迁移以保护它们，以便它们可以继续储存碳并成为抵御风暴的天然缓冲。这意味着沿海地区的开发较少，那里的房屋通常毗邻盐沼。 

正如 YSE 研究人员在康涅狄格州斯托宁顿的巴恩岛野生动物管理区发现的那样，海平面上升使沼泽变得更加湿润，但也使它们能够向上移动到沿海森林中。

“我们需要围绕沼泽迁徙走廊进行规划，并为它们留出空间，”他说。

“从海岸进行有管理的撤退与为盐沼留出空间是相容的。” 

Liz Plascencia '22 MEM 与 Anisfeld 完成了一项关于蓝碳的独立研究，她说这项新研究将帮助公众和政策制定者了解保护沼泽的重要性。

“这不是贫瘠的土地。这是一个非常高效的生态系统，具有大量的共同利益。我希望我们能够分享盐沼的蓝色碳封存潜力，以帮助吸引土地使用管理者和决策者的更多关注，”Plascencia 说。 

旨在减少甲烷的新实验

YSE 正在探索的另一个有前途的研究领域是通过在同样储存碳的湿地生态系统中添加矿物质来减少生物甲烷排放。

为了减少排放，Raymond 实验室的 Girgenti 使用来自耶鲁自然保护区的 1,200 磅沼泽沉积物在桶中创建了 72 个迷你湿地中观世界，以测试添加铁等矿物质是否会减少甲烷排放。

Girgenti 解释说，通过向土壤中添加铁，微生物会优先将其用作新陈代谢中的电子受体，而不是导致产生甲烷的有机化合物。这是因为铁还原途径为微生物提供了更多能量。  

到目前为止，铁的添加起到了作用——至少在实验室的水桶中是这样，Girgenti 说，他定期通过自己建造的设计复杂的封闭室测试空气，以获得甲烷读数。“这是一个非常快速的反应，甲烷的生产刚刚被关闭，”他说。 

希望将这种成功转移到自然湿地。  

“如果你正在建造或使用湿地进行天然碳捕获，你可以关闭或减少甲烷排放，从而减少湿地开始进行新的碳封存所需的时间，”Girgenti 说。 

Girgenti 还在研究增加自然风化过程以减少排放的方法。为了实现这一目标，他将玄武岩添加到他的一些微型中宇宙中。然而，化学风化需要时间，因此现在判断添加玄武岩是否有效还为时过早。

提高碳吸收

今年春天在佛蒙特州，Jim Saiers 与 Raymond 和 Planavsky 一起监督一个团队将碎玄武岩撒到有溪流穿过的牧场上，以检查流域中增强的风化作用。当雨水和融雪与岩石和土壤相互作用并溶解矿物质时，就会发生风化，二氧化碳会转化为碳酸氢盐，从而隔离二氧化碳并将其从大气中移除。  

“减少温室气体排放至关重要，但我们还需要从大气中捕获二氧化碳以实现气候稳定目标。增强的矿物风化作用可能是去除 CO2 的实用工具之一，”Saiers 说，他是 Clifton R. Musser 水文学教授。 

他说，这是第一次在流域范围内测试这种增强的自然风化过程。  

研究小组还在研究二氧化碳消耗率如何随时间变化、施用玄武岩的频率以及哪种类型的岩石比其他类型的岩石效果更好。

  
“我们希望我们可以用佛蒙特流域做的事情之一是找出有利于量化碳捕获的技术和方法。这些技术可以应用于其他地方，不仅是我们，其他科学家和管理人员也可以，”Saiers 说。 

如果它奏效并且碳捕获得到加强，它将成为帮助缓解气候变化的一种工具。 

“它可以成为解决方案的一部分，但它不会解决问题，”Saiers 说。“它是工具箱中的一种工具，但不能替代降低排放量。” 

YSE 的所有这些研究将有助于坚定地处理水体排放和吸收温室气体的问题，这对全球预算有多重要，以及我们如何管理这些系统以减少净排放——这些信息可能被证明是非常宝贵的窗口为避免气候变化对人类和生态系统造成最严重的影响而继续萎缩。

编者按（2023 年 3 月 23 日）：Laura Logozzo 现在是加拿大艾伯塔省莱斯布里奇大学的博士后研究员。

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。