大气甲烷排放源研究进展

李红军，唐俊红

(1.杭州电子科技大学管理学院，浙江 杭州310018;2.杭州电子科技大学材料与环境工程学院，浙江 杭州310018)

0 引 言

甲烷(CH4)是仅次于二氧化碳的重要温室气体，在温室效应和臭氧层的化学破坏过程中扮演重要的角色。根据2007年IPCC(政府间气候变化专业委员会)第4次评估报告，以平均持续存留时间为100年计算，甲烷在大气中持续时间约为8.4年，其温室效应为二氧化碳的25倍[1]。近年来大气甲烷的增长率有所下降，这可能与甲烷的源汇不均衡有关。笔者经过查阅大量的文献资料，系统归纳整理了目前已知的甲烷源，并对排放数据进行了更新。

1 甲烷源

甲烷根据其来源可分为人为甲烷源和天然甲烷源。本文主要从其来源分类展开综述。

1.1 人为源甲烷

人为甲烷源包括稻田甲烷、化石燃料甲烷、垃圾堆填甲烷、畜牧甲烷。稻田甲烷排放量约在40 60 Tg/y[2-3]，是主要排放源之一。随着人口的增长，人类对粮食的需求量增加，预计2025年，稻田甲烷排放量将增加20 Tg/y[2]。因此，稻田甲烷排放是极为重要的人为源。

化石甲烷:化石燃料(包括煤矿、天然气等)的开采、生产、输送、分配以及使用过程中都会产生甲烷泄露，形成大气甲烷。美国环保局调查全球燃煤生产循环中可作为燃料利用的甲烷不足21.8 Tg/y[3]。全球天然气甲烷泄漏为28 Tg/y，能源利用过程中排放甲烷达75 Tg/y[3]。

垃圾堆填甲烷:垃圾填埋场提供了厌氧环境和有机物，产甲烷菌在该环境下分解有机物产生甲烷，填埋场的甲烷的释放受温度、湿度、pH、有机物成分及数量等很多环境因素的影响。全球垃圾填埋场甲烷释放通量范围为10 70 Tg/y，约占全球总排放量的8%左右[4]。

畜牧甲烷:产生于反刍动物肠胃中微生物对食物的厌氧发酵。联合国粮农组织2006年报告《牲畜的巨大阴影:环境问题与选择》指出:畜牧业甲烷占人类活动甲烷总量的37%[5]。

1.2 天然源甲烷

天然甲烷源甲烷的释放不受人类活动的影响，主要包括湿地、白蚁、海洋、地质甲烷。地质甲烷是近年来在IPCC(2007)评估报告中被明确为新型天然甲烷源，是仅次于湿地的第二大甲烷天然源，已经成为国际研究的重点[3]，本文将在第2 节中予以详述。

湿地甲烷:湿地具有很高的生产力及氧化还原能力，是极为重要的生物地球化学场地[6]。IPCC 第4次评估湿地的甲烷排放量约为110 Tg/y，占全球的20% 39%，且湿地甲烷的排放受植物种类与气候变化影响明显，每年其排放量将增加0.08 Tg/y，为最大的甲烷天然源[6]。

白蚁甲烷:白蚁肠道内的原生动物在分解纤维素时产生甲烷，并从体内排出。最新调查显示热带雨林和草原的白蚁释放量达15 20 Tg/y，并以每年1% 2%的速度递增[7]。白蚁种类多、数量大、分布广，加之繁殖速度快、排泄甲烷能力强，其对全球增温的影响不可忽视。

海洋甲烷:传统意义的海洋甲烷(区别于地质海洋排放甲烷)是指存在于海洋深处的甲烷水合物，其在不同水环境中体现形式不同，深海区大陆棚边缘水深500 3 000 m 海域处通常以甲烷冰形式存在[3]。甲烷水合物具有巨大的甲烷排放潜力，保守估计其甲烷释放量为5 Tg/y[8]。研究得出其海洋总储量达到4×106Tg，数量受海底温度影响极大，如果海底水温升高3 ℃，其数量将会将少85%。甲烷冰对于大气的反馈释放将随着时间的变化而不同[8]。

2 地质甲烷

2007年第4次IPCC全球气候变化温室气体评估报告中首次确认地质甲烷为仅次于湿地的第二大天然甲烷源，其主要来源包括含油气沉积盆地微渗漏甲烷、陆地和海底泥火山释放甲烷、海底渗漏的甲烷以及地热/火山岩浆系统释放的甲烷[3]，全球地质甲烷释放通量约为40 60 Tg/y[8]。此外，最新研究发现蛇纹石在低温环境也存在甲烷释放[9]。地质成因甲烷源在大气甲烷估算中起着非常重要的作用。

2.1 含油气沉积盆地甲烷微渗漏

含油气沉积盆地的甲烷可分为生物成因甲烷和热成因甲烷。生物成因甲烷伴随着沉积有机物降解产生，而热成因甲烷是地下深处的沉积地层有机物产生热裂解而形成。基于全球已知含油气盆地甲烷通量数据库估算，其微渗漏甲烷通量约为14 28 Tg/y[10]，含油气盆地微渗漏在大气甲烷的源汇过程中起着不可忽视的作用。

2.2 泥火山甲烷的释放

泥火山甲烷释放主要表现形式为宏渗漏，泥火山在形成以及后期活动期间伴随有机质热解产生大量的烃类气体，主要成分为甲烷，其体积分数可高达99%。基于研究假设全球休眠期泥火山甲烷释放通量为0.33 2.64 Tg/y，并且全球泥火山年喷发数为40，每座泥火山甲烷释放通量为0.25 Tg/y，则全球泥火山甲烷释放通量10 Tg/y。火山休眠期和活动期甲烷释放总量为10.33 12.64 Tg/y[11]。这些估算是以大量的假设为基础，因此存在着较大的不确定性。

2.3 地热/火山岩浆系统甲烷的释放

地热/火山岩浆系统释放的甲烷包含生物成因甲烷(主要释放形式)和非生物成因甲烷，生物成因甲烷主要是由有机物的微生物降解或热裂解形成，非生物成因甲烷为非生物合成甲烷和地幔脱气甲烷，非生物合成通过Fischer-Tropsch 反应生成:CO2+4H2＝CH4+2H2O。该反应平衡由地热/火山岩浆系统的CO2体积分数和温度决定[3，12]。

地热/火山岩浆系统甲烷的排放形式在陆地上表现为漫漏和喷气，海洋则呈现喷气。根据研究估算陆地地热/火山岩浆系统甲烷漫漏通量为2.47 Tg/y[3，13];喷气甲烷比例很低，通常在0.01% 1%，全球陆地地热甲烷(漫漏和气喷口)通量估计在2.5 6.3 Tg/y[14]。

2.4 海洋地质甲烷的释放

海洋地质甲烷(热成因甲烷)不同于传统意义上的海洋甲烷(甲烷冰)，其在沉积物与海水的交界面处，以气泡柱或气泡串的方式渗漏而进入海水中，并在海水中溶解氧化，其中未被溶解氧化的甲烷气泡上升至海平面，通过水圈和大气圈的交换而释放到大气中。主要包括海洋泥火山(宏渗漏)、海洋气喷口喷气、海底渗漏[3]。

海洋泥火山基本上处于海洋边缘活动板块和大陆封闭斜坡或者内陆海的深海平原上，估算深海泥火山甲烷累积释放量已达到70 7×103Tg[15]。全球海洋渗漏甲烷释放通量为8 65 Tg/y 或18 48 Tg/y[15-16]。全球海洋渗漏面积的不确定性使得无法得出精确的释放通量。

2.5 甲烷源强汇总

通过对天然甲烷源与人为甲烷源的分类描述与统计，得出分布数据如表1所示。

表1 自然界甲烷来源及其源强分布

2.6 雅克拉凝析气田甲烷微渗漏监测实例

我们首次在国内采用静态箱法实地监测了新疆塔里木盆地雅克拉凝析气田甲烷微渗漏。研究证明:由于地质构造、油气藏控制因素的复杂性，地下深处油气藏烃类气体分布具有明显的区域性、不均匀性以及油气向上运移的方式和数量的差异性，从而使得不同地质单元甲烷微渗漏特点不同，断层区渗漏率最高;不同季节甲烷渗漏速率不同，一般冬天大于春天，同时远大于夏天。估算雅克拉凝析气田甲烷微渗漏在102t/y 数量级。该项成果已被并入全球甲烷微渗漏数据库，为全球微渗漏甲烷释放通量数据库提供了重要的补充[17]。

3 结束语

全球甲烷源预算是建立在区域性甲烷通量监测基础上，由于时间、空间以及环境因子对甲烷排放的影响，使其呈现明显的区域性、不均匀性和高度的时空变化性，从而造成甲烷源汇预算存在一定的不确定性。随着科技的不断进步，应用在甲烷源汇预算上的技术日新月异，例如遥感技术的应用等，从而可以获得甲烷源汇更为准确的分布和精确的数据。

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