影响湿地甲烷产生、传输与氧化因素的研究进展

刘意立，李竺霖，何云峰

(1 浙江大学 环境与资源学院，浙江 杭州 310058；2 三星(中国)半导体有限公司，陕西 西安 710000)

据政府间气候变化专门委员会(IPCC，2007)报道，由于甲烷分子具有很强的红外线吸收能力，其单分子的增温潜势是CO2的15～30倍，甲烷对全球变暖的贡献达到了25%，大气甲烷含量已经从前工业化时期的715 nmol/mol,增加到2008年的1 787 nmol/mol[1]。甲烷的排放源主要包括天然湿地、稻田、渗出天然气、废渣填埋场、反刍动物以及燃烧的生物物质[2]。由于湿地生态系统的持续淹水和厌氧环境，使得湿地生态系统甲烷排放量占全球甲烷排放量的25%[3]，成为大气最重要的甲烷来源。研究发现，湿地每年向大气排放145 Tg的甲烷，其中天然湿地排放92 Tg，稻田排放53 Tg[4]。Bloom等[5](2010)研究发现，在2003-2007年，由于中高纬度地区气温升高，湿地向大气排放的甲烷量增加了7%。

甲烷被认为是继二氧化碳之后最重要的温室气体之一，其产生与消耗机制引起了广泛关注。湿地甲烷排放是甲烷产生、传输和氧化过程综合作用的结果。大部分甲烷在土壤氧化层及根际受到甲烷氧化菌的氧化而转变为其他含碳物质。湿地甲烷释放机理复杂，受诸多因素影响。目前国内外已有许多研究结论[6-7]，但对其产生机理和释放过程尚不明确。同时，讨论全球气候变化背景下气温升高或水文条件改变，对湿地甲烷形成或氧化具有怎样的影响，关系到湿地碳汇大小的估算甚至碳汇角色的认定。本文对影响湿地甲烷的因素进行了分析，旨在为全球温室效应的估算和预测提供一定的参考。

1 甲烷排放及影响因素

湿地甲烷的产生主要源于厌氧条件下土壤微生物，如纤维分解菌、果胶分解菌和甲烷产生菌等协同作用，将土壤有机碳逐步分解为单糖，单糖再分解成简单有机酸，最后生成甲烷[8]。在甲烷产生过程中影响因素很多，包括有机底物、温度、氧化还原电位(Eh)、pH、电子供体等。然而并非所有产甲烷菌(Methanogens)产生的甲烷都排放到大气中去[2,9]。由于湿地表层的氧化性，产甲烷菌产生的甲烷90%以上会被甲烷氧化菌氧化利用[10]。因此，湿地甲烷排放是有机物(底物)输入、分解、厌氧产甲烷、甲烷传输、氧化等环节综合作用的结果。

1.1 温 度

甲烷的生产和氧化速率都受到温度的显著影响。湿地土壤中甲烷的产生和排放速率随温度的增加而上升[11]。研究发现，泥炭地甲烷生成的最适温度为25 ℃。温度每升高2 ℃，湿地土壤中的碳储量将减少10%～25%，向大气排放的甲烷量将会增加10%～20%[9]。温度对甲烷释放量的影响可以用Q10值(温度上升10 ℃时反应速率变化熵)来描述。产甲烷菌的Q10为1.3～28，甲烷氧化菌的Q10较小，为1.4～2.1[2]，而厌氧矿化菌的Q10值则为1～4[12]，这表明甲烷的产生过程对温度更为敏感。

低温会导致甲烷通量降低，目前的研究对此现象主要有3种解释：1)低温抑制产甲烷菌活性，从而导致甲烷产生量减少。2)甲烷氧化菌对温度的敏感性较产甲烷菌低，受低温环境影响较小，其在10 ℃时仍相当活跃。因此低温环境下活性依然较高的甲烷氧化菌的氧化作用加剧了甲烷通量的下降。3)参与甲烷产生过程中的其他微生物(产H2微生物)比产甲烷菌对温度更为敏感，因温度降低，产H2微生物活性下降，H2(甲烷生成底物)生成量量减少，导致甲烷通量下降。

1.2 水 位

水位主要决定土壤的通气性和氧化还原电位，甲烷排放通量随水位升高而增加。一般认为，高水位创造出的还原环境有利于产甲烷菌的生存，因此高水位条件下土壤甲烷通量也较高[13-14]。相反，当水位低于地表土层时，土壤为好氧环境，有利于甲烷氧化菌的生存，甲烷被大量消耗，甲烷通量减少。关于水位与湿地甲烷的源、汇定量变化关系尚未形成定论。Sun等[15]研究发现，水位在地表下20～30 cm时，湿地是大气甲烷的汇；但其他一些研究却认为，只有当水位下降到地表下50 cm时土壤才会吸收甲烷[16]。对潮汐河岸湿地的研究发现，当水位接近土壤表面时甲烷的排放量最高，水位过高反而会使甲烷的排放量减少，这是因为土壤中已产生的甲烷以气泡或扩散形式穿越水层时，被氧化的甲烷量增加[17]。由此可见，地表水位对甲烷产生和氧化的影响是多方面的。此外，Altor等[18]研究发现，干湿变化频繁的湿地甲烷排放量低于水文条件稳定的湿地。同时，不同类型的湿地对于水位变化的敏感程度不同，其中平坦苔原型湿地77%的甲烷排放变化源于水位变化，而泥泞沼泽中只有33%的甲烷排放变化归因于水位改变[19]。

1.3 土壤有机物

湿地土壤中甲烷的生成源于多种类型微生物对有机物质的分解，甲烷的潜在产量与有机物种类、数量关系紧密[20]。研究显示，一块连续种植13年的稻田因积累了大量的有机碳，故其甲烷排放量远高于种植了1.2年的稻田[21]。Vann等[22]研究发现，泥炭地中只有表层下30 cm之内有机物会影响温室气体的排放，使用荧光底物法测定泥炭地酶活性发现，当土层深度小于10 cm时土壤酶活性最高。有机物的分解潜力及其对温度的敏感性随土壤深度增加而显著下降，这是因为在深层土壤中稳定性有机碳的比例更高[23-24]。土壤中的活性有机碳大部分存在于土壤表层，通常会在几个月内分解完毕[10]。湿地生态系统中，活性有机碳含量的高低直接影响着甲烷排放通量。湿地中含有大量的可溶性有机物(其是活性有机碳的重要组成部分)，可溶性有机物在传递底物至微生物的过程中起着重要作用，能显著提高微生物活性[25]。植物凋落物也会影响湿地甲烷通量。因植物凋落物增加会促进土壤微生物的生长，进而提高了甲烷的产量。源于植物凋落物的甲烷产量最高能达到甲烷总产量的40%。虽然泥炭中超过90%的成分是有机碳，但由于含有较少的新鲜植物生成物，所以泥炭湿地甲烷的排放量相对较低。Sorrel等[26]研究表明，芦苇出现大量死亡并凋落的湿地与芦苇旺盛生长的湿地的甲烷产生率分别为160～400和16～112 mg/(m2·d)。

1.4 pH值及土壤氧化还原电位(Eh)

pH值是影响微生物代谢过程的主要因子之一，通过影响产甲烷菌的活性从而影响甲烷产生率[27]。大多数产甲烷菌生长代谢的pH为6～8，最适pH值在7左右。产甲烷菌较甲烷氧化菌对土壤pH更敏感。有研究表明，酸性环境最多可减少湿地生态系统15%的甲烷排放量[28]。土壤氧化还原电位(Eh)也是影响湿地甲烷产生、氧化的重要因素[29-30]。因甲烷生成作用位于呼吸链的最末端，通常要求Eh非常低。甲烷量产随土壤Eh降低而增加。一般认为临界土壤Eh起始值大约为-140 mV。当土壤Eh从-200 mV降低到-300 mV时，甲烷产量增加10倍，排放量增加17倍。

1.5 植物类型

植物在湿地甲烷排放过程中的作用主要包括充当甲烷传输的气体通道，为产甲烷菌提供基质，传输氧气到植物根系使甲烷氧化等[31]。植物排放的甲烷通量及其季节性变化规律,是由植物根系分泌有机物能力、释放氧气能力和传输甲烷能力综合决定的。总体而言，植物生物量越大，甲烷产量越多，甲烷排放通道也越多。

植物根系一方面向土壤中分泌有机酸、糖类、氨基酸等有机物质，为产甲烷菌提供底物，促进甲烷的产生；另一方面，植物根系释放的氧气会在根际形成高Eh氧化区，为甲烷氧化菌提供有利条件，增加了甲烷的消耗，不同植物类群产生的10%～90%的甲烷会在根际周边被氧化。Hendrikus[32]研究指出，由于藨草属根和根际具有较强的氧化能力，所以该类植物甲烷排放量比其他类型植物少。

研究表明，湿地中大型挺水植物(导管植物)成为甲烷从产生部位传输到大气的主要途径，植物甲烷传输量占甲烷总传输量的90%以上，当甲烷通过植物维管束组织传输时可以避免经过氧化层，减少了甲烷消耗，进而提高湿地甲烷通量[33]。例如龙须眼子菜群落(沉水植物)甲烷平均排放速率为(3.44±1.60) mg/(m2·d)，仅为芦苇群落(挺水植物)平均排放速率的21.94%[34]。

2006年初，Keppler等[35]研究发现，许多植物在有氧状态下也会能释放大量甲烷，并估算出这部分甲烷排放量占全球甲烷总排放量的10%～40%(62～236 Tg)。这部分甲烷可能是在紫外线(UV)照射下植物中果胶的甲氧基转化形成的，其产生机理尚不明确；此外，不同植物的甲烷释放量也没有明显的规律。但后续有研究者发现，长期小剂量UV-B辐射对北极和亚北极地区苔藓植物、被子植物的甲烷排放量影响很小[36-37]。

1.6 土壤离子与土质

不同质地湿地的土壤甲烷生成速率有明显差异，一般排序为沙土<砂砾土<黏质粉土<黏土[41]。这是由于土壤颗粒相互结合，形成局部厌氧区域，使产甲烷菌能够在表观有氧条件下存活。例如在稻田中每公顷添加10 Mg的硅酸盐废料时会使土壤孔隙度增加，使甲烷排放量相对减少28%[42]。

2 未来湿地甲烷排放的变化趋势

预计21世纪的后半段，大气中的二氧化碳含量将会加倍[43]。随着大气中二氧化碳含量的升高，土壤中的有机物分解速率会上升，同时植物的生产效率也会提高，这将导致土壤中可溶性有机碳含量升高，从而促进甲烷排放量也升高[44-45]。全球气温每升高1 ℃，则湿地每年排放甲烷的量增加20～25 Tg[2]。全球变暖主要发生在高纬度地区[46]。不过，对高纬度地区进行的预测认为，如果夏季变得更加温暖和干燥，土壤氧化甲烷的能力将提升，泥炭地温室气体的平衡可能会在未来发生改变，即甲烷排放量将减少，而二氧化碳和一氧化二氮的排放量将增加。

3 结 语

国内外研究结果表明，湿地甲烷的排放是有机物(底物)输入、分解、厌氧产甲烷、甲烷传输、氧化等环节综合作用的结果。土壤微生物将易分解的有机物逐步降解最终在厌氧条件下生成甲烷。生成的一部分甲烷通过扩散、冒泡和植物维管束运输等方式释放到大气当中，另一部甲烷分会被土壤、植物根际、水体中的甲烷氧化菌氧化形成二氧化碳，整个分解过程受到温度、水位、Eh、pH值等因素不同程度的影响。

今后对湿地甲烷排放研究的方向应该包括以下几个方面：1)利用同位素和底物标记的方法，了解维管束植物与土壤中微生物之间相互作用形成甲烷的过程；2)加强对土壤微环境包括植物根际对Fe3+的还原以及碳、氮耦合循环作用的机理研究；3)在甲烷生成过程中，溶解性有机物的结构会发生改变，今后可利用液质联用仪对其结构特征进行分析；4)植物在有氧状态下甲烷的产生机理尚需进一步明确；5)确立统一的湿地甲烷研究方法，建立广泛的湿地甲烷排放数据库，使得不同时间、不同地点、不同研究者测得的数据具有可比性；6)采取典型地区重点研究和大区域常规观测相结合的方式，从宏观上探明各种因素对甲烷排放的影响，建立大尺度湿地甲烷通量的估算模型，并加以验证。

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