植物排放甲烷的研究进展

甲烷是一种重要的大气痕量气体,参与全球变暖和大气化学作用。传统上已知的甲烷生物排放源只有专性厌氧的原核生物即甲烷产生菌。然而近年来有研究发现,植物在好氧条件下能通过一种未知的机理排放甲烷,即非微生物机制产生甲烷。本文对植物排放甲烷的研究进展进行了综述,并提出了今后应加强研究的方面。     

植物释放甲烷研究进展

植物是否在有氧条件下自身产生甲烷、其产生机制和释放速率等问题目前还存在很大争议,如果确证植物在有氧条件下产生较大量的甲烷,就必须重新认识和计算全球甲烷的源汇及其收支平衡。已有研究表明,植物排放的甲烷有一部分是由土壤或木本植物的根和树干内部产甲烷微生物产生,再通过植物传输进入大气中的;植物本身产生甲烷的机制可能主要是在活性氧自由基的作用下,将植物细胞壁成分果胶、木质素等中的甲氧基转化为甲烷,这一过程受到高温、强光和UV辐射等环境胁迫的刺激。根据植物排放速率或大气甲烷浓度与碳同位素组成的实测值,对区域和全球植物源甲烷排放率做出的估算还存在相当大的不确定性,需要对更多植物和更多地点开展实测研究,深入了解植物产甲烷的机制和过程,并结合大气传输模型才能进一步提高估算准确性。     

陆生植物自身能否排放甲烷?

一般认为自然来源的甲烷是在厌氧环境下形成的,而最近研究却发现在有氧环境下植物自身也能释放甲烷,这将对全球甲烷收支产生重大影响。但这一发现目前还存在很大争议,一些研究证实植物在有氧环境下能排放甲烷,果胶、聚半乳糖醛酸等含甲氧基官能团的组分是植物产生甲烷的主要来源物质,甚至纤维素、木质素等植物结构组分也能排放甲烷;而另一些研究却发现植物并不能排放甲烷或者排放速率极小,而观测到的植物甲烷排放可能来自于土壤中,即溶解有甲烷的土壤水分被被植物吸收并通过蒸腾或蒸发作用而排放到大气中。有氧环境下植物排放甲烷的机制仍不清楚,光照、温度、紫外辐射、机械损伤等环境胁迫可能是导致植物排放甲烷的重要原因,但这些因素的影响作用仍存在很大的不确定性。即使如此,一些研究仍对全球或区域植物甲烷排放的通量进行了估算,估计全球植物甲烷排放通量为10-236Tg.a-1。未来研究应在更多地区针对不同生境的各种植物是否排放甲烷进行独立检验,并在此基础上探讨植物排放甲烷的机制。     

维管植物对自然湿地甲烷排放的影响

综合评述了维管植物在自然湿地甲烷产生、氧化、传输和排放过程中的作用。维管植物光合作用的产物是甲烷产生的主要碳源,植物根系的周转和碳物质的分泌为产甲烷细菌提供底物;维管植物根际氧化是甲烷氧化最主要的途径,在植物的生长期占到总氧化量的80%左右。植物传输O2的能力和根际O2的需求是影响根际氧化的主要因素;维管植物通气组织的传输促进了甲烷从土壤向大气的输送,但所采用的传输机制影响着气体的输送效率。此外,自然湿地甲烷排放的各个过程均受到维管植物形态和植被类型的影响。维管植物在甲烷排放中的作用可以部分解释自然湿地甲烷在排放的时间(季节性变化、日变化)和空间尺度上的差异。维管植物对于自然湿地甲烷排放具有指示意义,可以用于大尺度自然湿地甲烷排放量的估算。     

填埋场甲烷生物氧化过程及甲烷氧化菌的研究进展

生活垃圾填埋场甲烷排放量约占全球甲烷排放总量的6%~12%,是大气甲烷的重要生物源之一。生活垃圾填埋场覆土中的甲烷氧化菌能氧化填埋气中的甲烷,是填埋场甲烷排放控制的重要途径。本文综述了填埋场覆盖层甲烷生物氧化的微生物机理、覆土甲烷生物氧化强化工艺和技术、填埋场环境中甲烷氧化微生物研究的最新进展。现有研究有效提高了填埋场覆盖层甲烷生物氧化的性能,但对占填埋场甲烷产生总量很大比重的封场前甲烷排放控制关注较少,因此,今后应加强封场前甲烷排放的研究,提高日覆盖和中间覆盖材料的甲烷氧化率并加快其甲烷氧化启动。     

中国陆地自然植物有氧甲烷排放空间分布模拟及其气候效应

区域尺度陆地植物有氧条件下排放甲烷及其气候效应研究不仅对甲烷收支平衡研究具有重要意义,对于全球变化研究也具有重要推动作用。通过改进Keppler提出的公式,模拟了中国区域植物有氧甲烷排放的时空分布。利用IBIS模拟的NPP数据结合相关文献统计生物量与NPP的比值,计算得到中国区域自然植物叶片生物量,以及叶片甲烷排放。结果显示,2001年至2012年中国植物生物量与植物叶片甲烷排放量在Sres A2和Sres B1两种情景下差异不明显;但是气候变化模式差异的影响会随着时间的推移而扩大。在Sres A2情景下,中国地区年均植物生物量为10803.22Tg C,叶片生物量为1156.15Tg C。如果不考虑天气对光照的影响,植物叶片甲烷排放年均2.69Tg,约是全国年甲烷排放总量7.01%,是中国稻田甲烷排放总量的29.05%。在各植被类型中,草地叶片甲烷排放量最高,达到47.53%,其次是混交林。森林(针叶林、阔叶林、混交林)是主要的植物甲烷排放源,占中国区域植物甲烷排放总量的51.28%,其次是草地,占47.47%。中国区域植物叶片甲烷排放南高北低,东高西低的分布状态主要由地表植被覆盖类型决定,光照和温度也是重要影响因素。对Sres A2和Sres B1两种气候情景下中国植物甲烷排放预测分析,中国区域植物甲烷排放不断增加,在Sres A2情景下不同时期的平均增长率为9.73%,高于Sres B1情景的5.17%,且两种情景下的增长率都在降低。21世纪Sres A2和Sres B1变化情景下,年均植物排放的甲烷CO_2当量分别为83.18Tg和77.34Tg,约占中国年均CO_2排放总量的1.39%和1.29%。     

湿地甲烷排放研究若干问题的探讨

甲烷是大气中最重要的温室气体之一,天然湿地是全球目前已知的最大排放源,每年向大气中排放的CH4约占全球CH4排放量的21％。本文就天然湿地甲烷排放研究的若干问题,包括研究方法、影响因素以及排放通量的时空变异性进行了探讨,最后对有关湿地甲烷排放模型进行了简单介绍,并对今后的研究方向提出了几点建议。     

植物源挥发性有机物的生态意义(综述)

植物释放的挥发性有机气体(volatile organic compounds, VOCs)在对流层大气中通过一系列氧化还原反应,改变大气的化学组成,对臭氧合成、一氧化碳生成、甲烷氧化等有重要作用,其氧化物质对区域乃至全球的环境和气候都产生一定的影响。本文综述植物释放的VOCs对大气化学、温室效应、光化学烟雾的影响;介绍VOCs释放机制、合成途径及排放速率;对今后研究方向和大面积种植林木、城市绿化提出建议。     

盐分对湿地甲烷排放影响的研究进展

当前在全球气候变化和人类活动双重作用下,湿地正在或者将要面临着显著的盐分变化形势,尤其是内陆和滨海咸化湿地。湿地是大气甲烷的重要排放源。甲烷排放是甲烷产生、氧化和传输过程综合作用的结果。盐分变化将影响湿地水-土环境,降低植物群落初级生产力和有机物积累速率,改变微生物主导的有机物矿化速率和途径等,进而改变湿地生态系统的结构和功能,影响湿地甲烷产生、氧化、传输和排放系列过程。本文综述了盐分(浓度与组成)对湿地甲烷产生与排放的影响结果,从底物供给、微生物(产甲烷菌和甲烷氧化菌等)数量、活性与群落组成、酶活性、植物、电子受体、p H和氧化还原电位等几个关键方面分析了盐分影响湿地甲烷排放过程的内在机制。在此基础上提出了今后需重点关注的5个方面:1)加强盐分浓度与组成对湿地甲烷产生、氧化、传输与排放影响的系统性、框架性研究;2)深入探讨盐分背景、变化幅度与速率的耦合如何影响湿地甲烷系列过程;3)不同离子组成及其交互效应如何影响湿地甲烷动态过程;4)结合生物学、基因组学及同位素技术等,加强湿地产甲烷菌与甲烷氧化菌与盐分的关系及其响应研究;5)湿地甲烷对盐分变化响应的时空分异规律。     

填埋覆土甲烷氧化微生物及甲烷氧化作用机理研究进展

甲烷是一种长期存在于大气中的温室气体,它对温室效应的贡献率是二氧化碳的26倍.生活垃圾填埋场是大气甲烷的主要产生源之一,由其产生的甲烷约占全球甲烷排放总量的1.5%～15%.甲烷氧化微生物在调节全球甲烷平衡中起着重要作用.垃圾填埋场覆土具有相当强的甲烷氧化能力.填埋覆土甲烷氧化菌及其氧化作用机理的研究,已成为环境微生物学研究领域的热点之一.本文对生活垃圾填埋场填埋覆土中甲烷氧化微生物、甲烷氧化机理及动力学机制、甲烷与微量填埋气体的共氧化机制以及影响甲烷氧化的环境因子研究的最新进展进行综述,并对生活垃圾填埋场甲烷氧化微生物的研究进行展望.     

陆地生态系统植物挥发性有机化合物的排放及其生态学功能研究进展

综述了国内外生物源挥发性有机化合物 (Biologicalvolatileorganiccompounds, BVOCs) 研究现状及未来的研究方向, 侧重介绍了陆地生态系统中植物排放BVOCs的种类、生物学功能及其对大气化学过程的影响。BVOCs按其化学结构以及在大气中的滞留时间可以分为 4类 :异戊二烯、单萜、其它活性BVOCs和其它次活性BVOCs。不同的植物类群排放不同的BVOCs种类并具有不同的排放特性, 环境条件对植物不同BVOCs的排放影响也不同。BVOCs作为有机物质被排放到体外, 从植物能量代谢的角度来讲要消耗一部分植物光合作用产物从而降低植物的生产力, 因此推测植物排放BVOCs具有一定的生理学或者生态学的功能。其中比较成熟的假说是抗热胁迫假说, 其次是抗氧化假说, 也有一些其它假说例如促氮同化假说等。但这些假说都还缺乏直接的有力证据, 有待更多的研究来支持。BVOCs被排放到大气中对大气化学过程的影响更是科学家关注的问题, BVOCs对大气的影响一方面是在大气对流层中促进臭氧 (O3 ) 的形成, 造成环境污染, 另一方面BVOCs通过对大气中的OH自由基和臭氧等氧化物浓度的调整而影响到大气中甲烷等温室气体的平衡, 对大气温室效应具有间接的贡献。我国在BVOCs的研究上也做了大量的工作, 包括分析鉴定了一些植物排放的BVOCs, 探讨了环境因子对植物BVOCs排放速率的影响, 从不同尺度估测了BVOCs的排放量等等。今后对BVOCs的研究将会集中在以下几个方面 :1) 进一步研究不同植物类群释放的BVOCs种类及其它们在大气中的理化性质 ;2 ) 继续探讨植物排放BVOCs的合成与代谢途径及其生物学功能 ;3) 研究BVOCs对大气化学过程的作用, 以及区域植被变化对BVOCs排放格局进而对区域乃至全球环境变化的影响 ;4 ) 加强对一些研究比较薄弱的生态系统例如在热带地区所进行的BVOCs研究工作 ;5 ) 进一步建立和完善BVOCs排放的理论模型, 以模拟不同陆地生态系统BVOCs排放的时空动态。     

土壤大气甲烷氧化菌研究进展

土壤微生物催化是大气中痕量甲烷(约1.8ppmv)氧化的唯一生物途径。目前的研究表明好氧土壤中存在专性和选择性大气甲烷氧化菌2种类型:前者(USCα和USCγ)广泛分布于各种好氧旱地土壤,其甲烷氧化酶对低浓度甲烷亲和力极高,属真正的寡营养型,但至今尚未获得该种类的纯培养菌株。后者属于传统甲烷氧化菌Methylocystis/Methylosinus属,广泛分布于各种周期性排放高浓度甲烷的土壤环境中。该属大部分菌株含有亲和力不同的2套甲烷单加氧酶系统,其中的高亲和力甲烷单加氧酶使这些菌株可以在相当长的时间内(3个月)保持大气浓度甲烷氧化活性,但其生长和繁殖还需依赖于土壤内部阶段性产生的高浓度甲烷。本文详细阐述了2类大气甲烷氧化菌的发现历程及其可能的生存策略,最后系统梳理了几种关键的环境因子(土壤温度及湿度、土壤pH、植被、土地利用及氮输入)对大气甲烷氧化菌群落结构和甲烷氧化活性的影响,提出并展望了土壤大气甲烷氧化菌研究的重要方向。     

垃圾填埋场甲烷氧化菌及甲烷减排的研究进展

垃圾填埋场是全球最重要的人为甲烷排放源之一,其全球年甲烷释放量为35-69 Tg,垃圾填埋场甲烷减排是目前全球温室气体研究的热点。甲烷氧化菌能够氧化分解甲烷,作为减少大气甲烷排放的重要生物汇,对保持大气中甲烷浓度的平衡具有重要意义。从甲烷氧化菌的类型及其特征、甲烷氧化机理着手,介绍了多样性研究方法、填埋场中甲烷氧化菌的活性影响因素及甲烷生物减排应用等最新研究进展。在综述前人研究的基础上,探讨了目前研究的不足,提出了利用甲烷氧化菌复合微生物菌剂等综合处理措施,旨为垃圾填埋场甲烷减排的研究和应用提供新的思路。     

若尔盖高原湿地甲烷排放的时空异质性

集中于北美落基山高山湿地甲烷排放的零星报道远不能解析全球高山湿地甲烷源强. 因此,世界范围内其他区域高山湿地甲烷排放的研究对于合理估计全球高山湿地甲烷源强,意义重大.采用静态箱-气相色谱法,基于3种典型湿地类型的甲烷排放数据,认为若尔盖高原湿地生长季甲烷的平均排放量为4.69 mg CH4 m-2 h-1.同时根据2a数据,初步分析了甲烷通量及其对环境因素和生物因素的响应特征,结果表明:(1)甲烷排放昼夜变化具有双峰模式 (主峰出现在15:00,次峰出现在06:00),可由土壤温度以及植物气孔开启来解释.(2)若尔盖湿地甲烷排放季节动态较为典型,即在7月份或8月份出现排放高峰,冬季甲烷排放较少.生长季,对3类群落类型,表面温度与甲烷排放显著相关 (r2=0.55,P<0.05,n=30),地表水位和植物群落高度与甲烷排放相关性更为显著 (r2=0.32,0.61,P<0.01,n=30).分析认为该季节节律是由温度以及植物生长状况直接影响的,而水位则是使该节律发生波动的原因(高原气候).(3)群落尺度下,物候学上相当重要的两个时期,甲烷排放通量均有较高的空间变异 (植物生长高峰变异系数为38%,积雪融化高峰为61%).通过逐步回归线性分析,发现植物生长高峰期,地表水位和群落高度是影响甲烷排放空间差异的主要因素 (r2= 0.43,0.59,P<0.01,n=30).(4)景观尺度下,生长季,景观尺度下甲烷排放有较大的空间变异,湖滨湿地甲烷平排放量最高为11.95 mg CH4 m-2h-1,其次为宽谷湿地,其排放量为2 12 mg CH4 m-2h-1,河岸湿地表现为甲烷吸收,其吸收量为0.007 mg CH4 m-2h-1.地表水位、植物地上生物量以及植物高度能够很好地解释甲烷排放的景观差异.     

植物与温室气体

CO_2、CH_4和N_2O是3种重要的温室气体由于它们对全球变暖具有较大影响,已引起科学家的广泛关注。研究表明导致温室气体增加的主要原因是人类活动和生物产生,作为占地球生物量约99%的植物,在温室气体产生与消耗中起着怎样的作用,对这一问题的研究将有助于进一步认识植物与大气的生态关系以及在全球气候变化中的作用。目前研究证明植物能吸收大气CO_2,参与大气CH_4和N_2O的产生或排放,因此,它对温室效应的影响是双重的。     

沼泽湿地互花米草植物体传输与排放甲烷特征

于各测定月的小潮日,使用悬管装置采集气样并结合气相色谱测定,对闽江河口互花米草（Spartina alterniflora）沼泽湿地互花米草植株的甲烷传输量及其主要释放部位进行了研究,另又采用静态箱法-气相色谱法测定了互花米草沼泽湿地甲烷的排放通量,以此分析互花米草植物体甲烷传输对互花米草沼泽湿地甲烷排放通量的贡献率,最后测定了互花米草植株髓腔内的甲烷浓度。结果表明,不同生长阶段的互花米草植株甲烷传输量明显不同,快速生长阶段的互花米草植株甲烷传输量最高;互花米草植株甲烷传输对互花米草沼泽湿地甲烷排放通量的贡献率介于9%-94%之间;互花米草植物体传输甲烷的主要释放部位是距地面0-20cm处,该部位对植物甲烷传输量的贡献率为50%（平均值）;髓腔内的甲烷浓度远高于大气中的甲烷浓度,且自下而上呈递减趋势。     

湿地甲烷代谢对氮输入响应的复杂性及其机制分析

氮素是影响湿地甲烷代谢过程的重要因素之一。氮输入是否影响湿地甲烷排放,增加全球气候变暖的风险,一直受到科学界的高度关注。目前关于氮输入对湿地甲烷排放影响的几篇meta-analysis文章的主要结论均为氮输入促进湿地甲烷排放,但是多篇研究性论文的结果为氮输入抑制或不影响湿地甲烷排放,由此可见氮输入对湿地甲烷排放的影响十分复杂。湿地甲烷代谢包括湿地甲烷产生、氧化和传输过程以及最终的甲烷排放,综述不同形态氮输入对水稻田、内陆湿地和滨海湿地甲烷排放通量影响的复杂性;分析湿地甲烷产生速率和途径、甲烷好氧氧化和硝酸盐/亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化对不同形态氮输入的响应及机制。硝态氮输入对湿地甲烷产生具有抑制作用已成共识,然而其它形态氮输入对湿地土壤甲烷产生的影响具有较大的不确定性,氮输入影响湿地甲烷产生的机制主要包括电子受体-底物竞争机制、离子毒性机制、促进植物生长-碳底物供给增加机制以及pH调控机制等。氮输入对湿地好氧甲烷氧化影响的研究多集中在水稻田和泥炭湿地,影响的结果包括促进、抑制或影响不显著;氮输入促进湿地土壤硝酸盐/亚硝酸盐型厌氧甲烷氧化。着重分析氮输入对湿地甲烷代谢影响不确定性的成因,指出...     

三峡水库湖北段甲烷排放通量时空特征及其影响因素分析

甲烷是一种重要的温室气体, 在大气中的浓度以每年1%的速率增加, 是CO2增加速率的4倍, 其在100 a的时间尺度上, 具有25倍于CO2的增温潜力1, 自20世纪90年代以来受到了学者们的广泛关注。一般认为化石燃料燃烧是大气中温室气体增加的主要来源, 最近的研究发现自然水体和人工水库均可以排放甲烷。       

大气CO2浓度升高对稻田根际土壤甲烷氧化细菌丰度的影响

甲烷氧化细菌是目前已知的稻田甲烷氧化唯一生物,在减少稻田甲烷排放、降低大气甲烷浓度方面发挥着重要作用.利用中国稻/麦轮作FACE(Free Air Carbon-dioxide Enrichment)试验平台,采用实时荧光定量PCR技术,研究了大气CO2浓度升高下,典型水稻生长期根际土壤甲烷氧化细菌数量的变化规律,及其对不同施肥处理(高氮HN和常氮LN)的响应.2009和2010连续2a的观测结果表明,大气CO2浓度升高促进了2009年秧苗期和分蘖期,2010年秧苗期、拔节期和灌浆期甲烷氧化细菌的生长;并可能对2010年常氮条件下成熟期甲烷氧化细菌产生了较显著(P＜0.1)抑制;进一步针对甲烷氧化细菌主要类群的分析表明,高氮条件下大气CO2浓度升高提高了稻田根际土壤中Ⅰ型甲烷氧化细菌的丰度.     

增温对土壤N2O和CH4排放的影响与微生物机制研究进展

全球变暖已引起人们的广泛关注,大气温室效应气体浓度增加是导致全球变暖的主要因素之一,土壤是温室效应气体的主要来源。反过来,全球变暖对土壤温室气体的排放具有反馈作用。温度升高不仅会影响植物、动物、微生物的生长及其相互作用,还会影响土壤的物质(尤其是氮、碳)循环过程,从而影响土壤温室效应气体的排放。本文主要总结了增温对土壤主要温室气体N₂O和CH₄排放的影响及其微生物机制。总体来看,增温能够促进这两种温室气体的排放,其排放主要与温度对氨氧化细菌(AOB)、反硝化功能基因、甲烷产生菌和甲烷氧化菌的丰度和组成的影响有关。土壤温室气体排放也受到植物的物种特性、养分吸收和群落组成,以及土壤营养元素含量、含水量、pH值等理化性质的影响。未来应更深入地从微生物角度探讨全球变暖对土壤温室气体排放的反馈作用机制,加强不同增温模式对土壤温室气体排放的影响研究,并关注增温与其他环境因子相互作用对土壤温室气体排放的影响等,以期为全球变暖对土壤温室气体排放反馈作用的预测提供理论依据。