城市河流被越来越多的研究证明是大气层中三种主要温室气体（Greenhouse Gases,GHGs）,包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）排放的热点区域,这是由于城市河流不仅接受了城市区域各种类型排污污水中高浓度GHGs的直接输入,还可以通过被改变的系统内结构间接地影响各种生物地球化学循环,并导致水体GHGs通量的变化。尽管过去很多研究通过提高通量的空间分辨率在准确估算区域GHGs通量方面做出了很大改进,但这些通量在时间上的变化规律,不论是长时间尺度（年际变化和季节变化）,还是短时间尺度（日变化）仍存在很多不确定性,这无疑会对GHGs通量估算造成一定误差。此外,到达大气层的GHGs比例主要取决于气体从沉积物中排放的方式及其时空特征,即使大量研究结果表明气泡传输是淡水水生系统CH4排放的主要途径,然而几乎所有量化CH4通量的研究都集中于扩散传输途径,这可能导致基于扩散通量得到的全球水生系统CH4排放总量被大大低估,最终影响对淡水水体在生态系统碳循环中作用的认识。复杂的气泡CH4产生过程与瞬时随机的排放过程增加了对探究气泡CH4通量的时空变化特征及其控制机制的挑战性。为了更准确地估算城市河流水体GHGs排放通量,并且正确认识城市河流在水生生态系统碳氮循环中的作用,本论文以国家自然科学基金面上项目“城市化地区河流水体氧化亚氮排放系数及流域尺度建模”为依托,对我国典型特大型城市上海地区内不同类型的城市河流水体展开了长时间和高频率的野外监测与实验室分析工作。使用多种监测方法探究不同城市化水平区域水体气泡释放途径对CH4通量的贡献并分析其影响因素,评估不同监测方法对GHGs通量估算的误差。通过分析不同时间尺度（年际、季节和日变化）城市区域河流水体GHGs浓度、饱和度和通量的时空变化特征,探究未来全球气候变化和人类活动对河流水体GHGs排放的影响,更准确地认识城市河流水体在水生系统碳氮循环中的作用。本研究主要开展了以下4方面工作:（1）使用浮箱法和倒置漏斗法对比分析和计算气泡传输方式对河流水体CH4通量的贡献比例,并探究其时空变化特征;（2）通过高频率和长时间的野外监测活动,探究河流水体中三种GHGs通量的昼夜变化特征并分析其控制因子;（3）评估不同监测方法（包括水-气界面扩散法、浮箱法和倒置漏斗法）对水体GHGs通量估算的误差,结合通量的时空变化差异,提出合适的野外监测方案;（4）建立长时间序列的水体GHGs通量数据库并分析年际与季节尺度的时间差异,探究人类活动影响下的不同城市化水平区域GHGs通量时空分布特征并分析其控制因子。本研究取得的主要结果与结论如下:（1）富营养化的城市河流具有强烈的气泡活动,其特征是瞬时随机性和高度的时空异质性。气泡排放速率在短时间、小范围内都表现出很大差异,表明高时空分辨率监测对估算气泡通量的重要性。气泡中三种GHGs的体积浓度没有显著的季节变化,CH4最高（66.3%）,CO2次之（0.67%）,N2O最低（0.78 ppm）。如果仅考虑扩散与气泡传输对气体排放的贡献,研究结果表明气泡传输对N2O和CO2通量的贡献可以忽略不计,但在河流CH4排放通量中占主导地位。气泡活动对CH4通量的贡献在不同河流之间的差异较大,其中气泡平均贡献在市区河流最高（86.05%）,在郊区河流最低（33.66%）,这与河流水体的富营养化程度相吻合。研究结果阐明了气泡传输对城市水体CH4排放的重要性,未来应当将气泡CH4通量纳入水体总CH4通量,提高对水体GHGs通量估算的准确性。（2）使用水-气界面扩散法和浮箱法在典型富营养化河流开展了连续13个季度的昼夜通量监测,研究结果显示三种GHGs通量总体都表现为日间平均值高于夜间平均值的特征。其中,浮箱法测得的CO2通量可能受到罩箱时间影响,总体上小于扩散法测得的CO2通量值,但浮箱法更容易监测到短时间/昼夜尺度的CO2通量变化。结合CO2的昼夜变化规律,研究表明使用水-气界面扩散法在每日上午9:00前后监测到的CO2通量最能够代表日平均通量。控制本研究河流CO2通量昼夜变化的主要因素是溶解氧（DO）浓度和水温,日间随着光照增加和温度上升,水中的光合作用促进了CO2吸收和氧气产生。本研究中水体初级生产力对昼夜CO2通量的影响较小。（3）不同的监测方法对河流水体CH4通量估算的影响很大,尤其是水-气界面扩散法只能监测到扩散CH4通量,导致总CH4通量被大大低估。对比浮箱法与倒置漏斗法测得气泡CH4通量后表明,浮箱法监测到的总CH4通量将被低估～60%。此外,气泡CH4通量不论是在昼夜尺度或者季节尺度都表现出明显的时间异质性,但扩散CH4通量在长/短时间尺度上的波动都很小。水温和DO浓度是控制水体气泡CH4通量的关键因子,高温和缺氧环境极大地促进了产甲烷作用并产生CH4,二者地协同作用极大地促进了气泡CH4排放。考虑到气泡活动在日时间尺度上的高度随机性,需要增加连续监测时间来获得更准确的总CH4估算量。（4）使用水-气界面扩散法和浮箱法监测得到的N2O通量之间存在良好的相关性,但浮箱法仍可能受到罩箱时间影响,整体上略低于扩散法测得的N2O通量。与前两种气体的昼夜变化规律相似,N2O通量也表现为日间平均值高于夜间平均值,但在某些采样季节表现出更复杂的变化规律。为了减少后续在日尺度上的监测误差,提高监测精度,本研究认为两种方法均在每日上午9:00前后监测到的N2O通量最能够代表日平均通量。即使本研究中各种氮浓度的昼夜变化不大,但仍在N2O产生过程中发挥着重要作用。其中,昼夜N2O通量与硝氮（NO3-）浓度呈负相关,与亚硝氮（NO2-）和铵氮（NH4+）浓度呈正相关,结果表明日间N2O产生可能主要来源于硝化过程,而夜间N2O产生可能主要来源于反硝化过程。（5）在不同城市区域对河流水体CO2浓度、饱和度和通量的长时间监测证明城市河流是大气CO2重要排放源,水体CO2常年处于过饱和状态,年平均CO2通量为141.61±104.18 mmol m-2 d-1。受外源碳和营养盐输入负荷影响的河流表现为更强的CO2排放源,而缺少外源输入的河流CO2通量较低,并且水体CO2排放能力某种程度上取决于呼吸作用和初级生产力二者之间的平衡。此外,不同城市河流水体CO2通量表现出明显的季节和年际差异,强调了高时空分辨率野外监测对实现更高精度河流CO2估算的重要性。城市区域河流由于接收大量人为污染源输入,导致水体初级生产力对水体CO2通量的季节变化影响较弱。温度可能是导致城市河流水体CO2通量季节差异的主要因素,高温更多的促进了呼吸作用,使得最大CO2排放量发生在夏季（占全年通量的38%）。年际变化规律表明整体流域水质管理对河流CO2通量造成了很大影响,城市河流水体CO2排放能力的减少可以归结为水质整体改善的结果。河流水体CO2排放量从2012-2013年的282.45±44.69 mmol m-2 d-1下降到2020-2021年的123.62±30.97 mmol m-2 d-1,表明随着养分输入的减少和水体富营养化条件的改善,城市河流水体CO2排放量总体上呈下降趋势。（6）本研究通过长时间监测不同城市区域河流水体CH4浓度、饱和度和通量后,证明了城市河流是大气CH4重要排放源,年平均扩散CH4通量为0.64±0.76mmol m-2 d-1。但由于大多数野外监测活动只考虑了扩散CH4通量,气泡传输对CH4通量的贡献常常被忽略,可能导致城市河流水体总CH4排放水平被大大低估。如果考虑气泡传输对河流水体CH4的贡献,估算得到的年平均总CH4通量扩大了3倍多(2.01±2.59 mmol m-2 d-1)。不同城市河流的时空分布特征表明,水体中营养盐浓度和DO水平是决定总CH4通量大小的关键因子。在养分供应充足的缺氧水体中更容易发生厌氧的产甲烷过程,导致水体产生并排放更多的CH4。本研究河流水体总CH4通量在2011-2021年总体上呈下降趋势,该结果与城市水体中的富营养化状况被大大改善有很大的关系。当水体中DO浓度升高,养分含量减少,这些条件都不利于沉积物的产甲烷过程,导致水体CH4排放量降低。（7）通过长时间监测不同城市区域河流水体N2O浓度、饱和度和通量后,证明了城市河流是大气N2O重要排放源,年平均扩散N2O通量为87.89±74.40μmol m-2 d-1。河流水体中DO浓度与氮负荷条件及其组分构成是控制N2O排放的关键因子。从2011-2021年,随着河流水体氮浓度的整体下降和DO浓度的逐年上升,水体N2O通量呈逐年下降趋势。此外,城市水体N2O通量的季节变化规律与温度无显著相关,高温对微生物过程的刺激作用可能被氮浓度对N2O产生的促进作用所掩盖。该结论进一步的证明了城市河流水体富营养化条件（尤其指DO浓度和氮负荷）对N2O通量的关键影响。