（环境科学专业论文）城市湖泊的甲烷排放时空变化及其与水文水质关系——以北京市为例.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t c o n t i n u e sr i s i n go ft h ea t m o s p h e r em e t h a n e ( c h 4 ) a r o u s e dw o r l d w i d ea r e n t i o n i nt h i sp a p e r , t h em e t h a n ee m i s s i o nf l u xo fu r b a nl a k e sw e r em e a s u r e db yu s i n g s t a t i c f l o a t i n gc h a m b e ra n dg a sc h r o m a t o g r a p h ya n a l y s i sm e t h o d s ，w h i c hw e r e a f f e c t e d s e r i o u s l yb ya n t h r o p o g e n i ca c t i v i t i e s b yo b s e r v i n gt h eh y d r o l o g i c p a r a m e t e r , l a k ew a t e rq u a l i t ya n dm e t e o r o l o g i c a lp a r a m e t e ro ft h es a m p l i n gs i t e s ， a n dc o m b i n gt h ei n d o o rs i m u l a t e dc u l t u r ee x p e r i m e n t s ，t h eh y d r o l o g y - w a t e rq u a l i t y i m p a c to fw a t e r o nm e t h a n ee m i s s i o n sw a sa n a l y z e d t h ea t m o s p h e r em e t h a n ec o n c e n t r a t i o n sw e r eh i g h e ra b o v et h eu r b a nl a k eo f b e i j i n gw i t h i nt h ef i f t hr i n g ，a n dt h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o n so ft h e10l a k e sw e r e s i g n i f i c a n td i f f e r e n c ei na l ls e a s o n s t h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o n so ft h e4t y p i c a l l a k e sp r e s e n tc e r t a i ns e a s o n a lv a r i a t i o n ；i tw a sh i g h e s ti nt h ej u l ya n da u g u s ta n di n t h ee a r l ym a r c hw h e nt h ei c ew a sm e l t i n gt h em e t h a n ec o n c e n t r a t i o nw a si n c r e a s e d s l i g h t l y t h em e t h a n ea v e r a g ee m i s s i o nf l u xw a s4 10 5 7 9 2 7m gm 吐h 1i nt h e10 l a k e s t h em e t h a n ee m i s s i o nf l u x p r e s e n ts i g n i f i c a n ts p a t i a l d i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i z a t i o n t h em e t h a n ee m i s s i o nf l u xw a sh i g ha tt h el o n gh i s t o r i c a la n ds m a l l s i z el a k e s ，b u ti tw a sl o w e ra tt h el a r g el a k ea n dt h el a k et h a th a sg o o dw a t e rs o u r c e s t h em e t h a n ee m i s s i o nf l u xw a sh i l g ha l s oa tt h em a n m a d el a k eo rb e i n gh i g h l y r e n o v a t e dl a k e t h ew i n dv e l o c i t y , p ha n de ho ft h es e d i m e n tw e r et h em a i ni m p a c t f a c t o ro nt h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no f t h em e t h a n ee m i s s i o n t h ea n n u a la v e r a g ec h 4e m i s s i o nf l u xw a s2 8 6 2 _ 5 0 8 3m gm - 2h - 1i nt h ef o u r t y p i c a ll a k e s ，a n dt h ec h 4 e m i s s i o np r e s e n tat e m p o r a lc h a r a c t e r i s t i c t h em e t h a n e e m i s s i o nt i m ew a sf r o mm a r c ht on o v e m b e r , a n dt h ee m i s s i o nf l u xw a sh i g h e ri n s u m m e rt h a nt h a to fa ta u t u n ma n dw i n t e r 硼1 ee m i s s i o nt i m ew a se a r l i e ri nt h e s h i c h ah a lw h i c hl i e si nt h ec e n t e ro fc i t y t h et e m p e r a t u r ew a st h em a i ne f f e c t f a c t o ro ft h ee m i s s i o nt i m ev a r i a t i o n t h em e t h a n ea n n u a le m i s s i o na m o u n tw a sa b o u t0 2 6 2 - 0 3 7 5g gi nt h eb e i j i n g a b s t r a c t u r b a nl a k e w h i c ha c c o u n t e df o r0 1 o ft h a ti nt h ee n t i r eb e i j i n ga r e a a n dt h e y w e r eh i 【曲e m i s s i o na r e aa m o n gt h eg r i dd i s t r i b u t i o no f t h ee n t i r eb e i j i n ga r e a t h e yp r e s e n tp o s i t i v ee x p o n e n t i a lc o r r e l a t i o no ft h em e t h a n ee m i s s i o nf l u xw i t h a i rt e m p e r a t u r e ，w a t e rt e m p e r a t u r ea n ds e d i m e n tt e m p e r a t u r es e p a r a t e l y a n dt h e c o r r e l a t i o ni n d e xo ft h es e d i m e n tt e m p e r a t u r ew i t ht h em e t h a n ee m i s s i o nf l u xw a s t h eh i g h e s t t h e r eh a v ew e a kc o r r e l a t i o no ft h em e t h a n ee m i s s i o nf l u x 、析mt h ep h o fw a t e r a n dt h e yh a v ear e l a t i o n s h i p 、) r i t ht h em e t h a n ee m i s s i o nf l u xa n dt o c ， b o d 5 b u tt h e yp r e s e n tt h es i g n i f i c a n tn e g a t i v ec o r r e l a t i o no ft h em e t h a n ee m i s s i o n f l u xa n dt h ee ho fs e d i m e n t 1 1 1 em e t h a n ee m i s s i o nf l u xh a dat u r n i n gp o i n tw h e n t h ee hi sl o w e rt h a n 1 5 0m v 1 1 1 em e t h a n o g e n e s i sa b i l i t yo ft h es e d i m e n tw a si n c o n s i s t e n t 、析t ht h em e t h a n e e m i s s i o nf l u xb yt h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，a n dt h es h i c h ah a ih a st h el a r g e s t m e t h a n o g e n e s i sa b i l i t y t h er e s u l t so ft h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e e u t r o p h i c a t i o nw a t e rw a sh e l p f u lt ot h ep r o d u c to ft h em e t h a n e a n dt h e r eh a v et h e l a r g e s tp r o m o t i n ge f f e c tt ot h em e t h a n o g e n e s i sw h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fc o d w a s h i g h e ra n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft nw a sl o w e r r n l eg r e e n h o u s eg a s e sw h i c hw e r ec o m ef r o mt h ee m i s s i o no ft h eu r b a nl a k e w i l li n c r e a s ew i t ht h ep r o m o t i n go fu r b a n i z a t i o n s ow es h o u l dp a ym o r ea t t e n t i o nt o i t k e yw o r d s ：u r b a nl a k e ；m e t h a n ee m i s s i o n ；t e m p o r a la n ds p a t i a lv a r i a t i o n ； h y d r o l o g y w a t e rq u a l i t y ；w a t e re u t r o p h i c a t i o n i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 刊嘶一期：栅似舯 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名c 手写，：粥 签字日期：上，护年f 月f 罗日 导师签名( 手写) ：琴呀聊 签字日期：加知年月莎日 第l 章绪论 1 1 文献综述 1 1 1 全球甲烷排放现状 第1 章绪论 随着世界经济的发展，环境问题口益突出，温室气体引起的全球变暖和平 流层臭氧损耗是当今重大的全球性环境问题。2 0 0 5 年2 月1 6 日，人类为了遏 制全球变暖，旨在遏制全球气候变暖的京都议定书正式生效，这是人类历 史上首次以法规的形式限制温室气体排放( 表1 1 ) u j 。目前对京都议定书的 履约已经成为一个十分敏感的国际政治焦点，而温室气体的源和汇的研究是其 中的关键问题【2 j 。中国政府于2 0 0 9 年1 1 月2 6 日公布，到2 0 2 0 年，中国单位 国内生产总值碳排放比2 0 0 5 年下降4 0 4 5 ，作为约束性指标纳入国民经济和 社会发展中长期规划，并制定相应的国内统计、监测、考核办法。 表1 1 京都议定书的要点 t a b l e1 1p o i n t so fk y o t op r o t o c o l 项目内容 温室气体 基准年 吸收源 目标期间 削减目标 c o z ，c h 4 ，n 2 0 、h f c 、p f c ，s f 6 以1 9 9 0 年为基准年( u f c 、p f c 、s f 6 以1 9 9 5 年为基准年) 1 9 9 0 年以后新植林和再生林及森林作为温室气体减少量进 行计算 2 0 0 8 年2 0 1 2 年 发达国家全体在目标期间要比基准年削减5 2 。国家：日本、 加拿大减6 ：美国减7 ：欧共体，瑞士减8 ；俄罗斯、 新西兰0 ，挪威增1 ；澳大利亚增8 ；冰岛增1 0 。 甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氮氧化物和氯氟烃常被称为痕量温室气体， 全球气候变化特别是气温的升高与大气中这些气体含量的升高形成的温室效应 密切相关。这些气体含量不到大气总量的0 0 4 f 3 】但它们浓度的改变却是引起 全球气候变化的重要原因。虽然围绕着全球变暖问题尚有许多不确定因素，但 导致温室效应的痕量气体自工业革命后在大气中的浓度持续增长却是一个不可 第l 章绪论 争议的事实。虽然有些学者的研究指出近年来温室气体二氧化碳的某些汇( 如森 林) 增长延缓了大气9 - 氧化碳浓度的增加速度【4 】，但是全球温室气体的浓度依 然处于上升趋势，全球气候变暖的格局越加严峻。 甲烷( c h 4 ) 是大气中最值得重视的一种碳化合物，它像c 0 2 和水汽等气 体一样是辐射活性气体，对地球系统的能量收支及地球气候的形成有重要影响。 同时c h 4 又是一种化学活性气体，在大气中的存留时间约为1 0 年，它在大气 中易被氧化而产生一系列的h x o y 和c x h y 化合物，它们在许多大气成分的转 化中扮演重要角色【3 j ，如c h 4 能与大气污染物( 如氟利昂) 发生反应，产生其 他温室气体( 0 3 、c o 、c 0 2 ) 。尽管c h 4 在大气中的浓度要比c 0 2 低，但是由 于这种直接和间接性对大气环境造成的影响，它的全球变暖潜力是c 0 2 的1 5 3 0 倍1 5 j ，据估计，c h 4 浓度的升高对全球气候变暖的贡献大约为2 5 左右 6 1 ，c h 4 被认为是继c 0 2 之后最要的温室气体。自工业革命以来，大气中c h 4 浓度加速 长 7 1 ，2 0 世纪8 0 年代年增长率为1 嗍，进入9 0 年代年增长率为0 7 9 1 。在过 去的3 0 0 年中，大气中的c h 4 浓度持续上升，这种增长趋势虽在1 9 9 2 年接近 于0 ，但在2 0 世纪9 0 年代末期重新攀升 7 1 。 1 1 2 城市生态系统 城市生态环境是指在特定的城市区域中，城市居民与其周围环境的相互作 用所形成的结构与功能关系，以及这个统一体中进行物质能量流动的因素【1 0 1 。 城市中进行物质能量流动的因素有自然环境因素和社会经济因素，所以城市生 态环境由自然生态环境和社会经济环境以及沟通自然、社会、经济的各种人工 设施和上层建筑组成。这些组成成分，通过生命代谢作用、投入产出链、生产 消费链进行物质交换，能量流动而相互作用。 随着全球城市化的不断加速，城市人口的迅猛增长，世界上有超过5 0 的 人口生活在城市。人口的高度聚集在城市区域，不但改变了城市的空气、水文、 土壤和生物的本身性质，而且改变了城市中的生物与环境的关系，并形成了一 种特定的生态系统，即城市生态系统。城市是一个高度复杂的社会一经济一自 然复合生态系统，其结构和功能特征不但与自然因素的影响有关，而且与社会 经济发展和人类活动密切相关。城市生态系统的服务功能直接影响到城市居民 的生活质量和城市的社会经济可持续发展能力。 2 第l 章绪论 与其他生态系统相比较，城市生态系统具有以下的特点【1 1 , 1 2 ： 1 ) 在自然生态系统中是以绿色植物为中心，其自然生态营养关系呈金字塔 形，而城市生态系统的情况截然不同，生态金字塔以人为核心，呈现出不稳定 的倒置状态。城市生态系统组分中，除水、土、气、生因素外，还有一些人工 组分，如人工构筑物( 道路、广场和房屋等) ： 2 ) 人类对城市结构和布局的规划决定了城市发展的基本空间格局； 3 ) 城市生态系统的过程具有高强度的能量和物质的输入、流动和输出，能 量和物质流动的方式和方向主要是由社会经济目的决定的。在能量流动中，除 利用太阳能外，化石能源和其他外来能源的输入是城市生态系统主要能源，各 种人工流通设施( 如管道和输电线路等) 和工具( 如机动车等) 是城市生态系 统能量流动主要方式。在物质流动中，建筑材料、生活用品和食品是主要物质 输送形态； 4 ) 城市生态系统的功能主要体现在高度的集约化的社会和经济功能，具有 高密度的人口和高效率的经济活动和社会活动； 5 ) 城市生态系统稳定性主要取决于社会经济亚系统的调控能力和调控水 平，其结构和功能具有较高的演变速率，随社会经济发展而变化。 6 ) 城市生态系统是一个开放的系统，具有高度的对外依赖性，需要外部的 大量物质能量的输入才能够维持； 现代的城市是一个以人为主体、以空间利用为特点、以聚集经济效益为目 的的集约人口、经济、科学文化的空间地域系统i l2 。现代社会城市化进程加速， 城市人口剧增，并伴随着其中频繁的社会、经济、政治、文化等活动形成集聚 效应。这种集聚效应推动了社会的进步，提高了人们生活水平，促进了生产力 的发展和经济效益的提高。但是，过快的城市化进程，过度的城市扩张以及长 期以来形成的“先破坏、后治理”的发展决策模式也带来了一系列严重的生态环 境问题：如人口激增、水资源短缺、土地退化沙化、大气环境质量下降、森林 破坏、水土流失、环境污染等等。种种迹象表明，生态环境问题已经成为城市 可持续发展的关键症结，从而严重制约着城市生态环境系统的可持续发展l l 引。 物质代谢和元素循环是城市生态系统中水土气生之间和社会经济自然子 系统之间的流量和物质联系的主要方式，是城市生态系统中生物地球化学循环 的主要研究内容。通过研究城市生态系统的物质交换和元素循环，对于揭示典 型物质在城市生态系统中的输入、运移和输出的演变规律及其与城市功能的关 3 第l 章绪论 系具有重要意义。 1 1 3 城市湖泊 城市湖泊是城市中水陆作用相互交织形成的具有多种功能和价值的生态系 统【1 4 j 。城市湖泊生态系统可以从狭义和广义两个方面来理解，狭义上，也就是 仅从自然意义上，城市湖泊生态系统指的是其内部生物群落与其外部生存环境 长期互相作用下，形成的一种动态平衡系统，物理位置上包括城市湖泊水体和 湖滨带。广义上，由于城市是人类社会的产物，是一个高度人工化的区域，而 位于城市内的湖泊是城市的资源和环境载体，关系到城市的生存和发展，同时 又受到城市高强度的社会经济活动的干扰，是人类生态系统的组成部分之一【ls - 。 与自然湖泊生态系统主要受大气环流、地质运动所控制，具有极大的地理分异 性不同，城市湖泊生态系统具有更加复杂的特点。主要表现在：( 1 ) 城市湖泊 生态系统是一个迅速发展和变化的复合人工生态系统。它对能源和物资的处理 能力并非来自自然天赋，而是来源于人类在对其认知的基础上的开发和利用， 是受自然社会经济共同支配的生态系统。而这种相对稳定的生态系统会随着 内部和外部生态关系的变化不时进行调整和适应，形成新的生态系统。( 2 ) 城 市湖泊生态系统是一个功能高度综合的系统【1 6 , 1 7 】，包括政治、经济、文化、科 学、技术及旅游等多项功能，多样性功能的正常发挥对其稳定性提出了更高的 要求，同时功能效率最大化还要求各项功能协调，系统内耗最小【1 6 1 。 城市湖泊是城市湿地的重要组成部分，具有城市其他生态系统不可替代的 多种生态服务功斛1 7 , 1 8 】，然而，随着城市化进程的加快，围垦和城市开发使城 市湖泊面积锐减，大量工农业废水、生活污水的排放，使城市湖泊生态系统遭 到严重的破坏，并引起了一系列的生态问趔1 4 1 。如堤岸人工化、形态几何化等 设计使城市湖泊的流动过程减缓，水循环变慢；城市的面源污染，特别是暴雨 径流和生活污水污染，使城市湖泊水体富营养化严重；城市湖泊的植物类型不 是通过自然演替，而是通过引种、移种的方式建立的，外来物种的入侵严重。 随着城市生活的日益深化，部分城市湖泊形成并扩大( 如北京的奥运湖) ， 而另一些湖泊则萎缩甚至是消失( 如北京的太平湖) 圳。造成湖泊演化的主要因 素包括自然的因素和人为因素，而在生产力高速发展的今天，人为因素对湖泊 的演化影响尤为突出。 4 第l 章绪论 1 1 4 湖泊甲烷排放过程 湖泊湿地生态系统和大气之间进行的碳源气体的交换是全球碳循环的重要 组成部分，湖泊c h 4 的排放是由湖泊中c h 4 产生、氧化以及传输共同作用的结 果。在湖泊生态系统中，一个生态系统在其功能上究竟表现为大气c h 4 的源还 是汇，很大程度上取决于生态系统中有机质还原产生c h 4 和c h 4 被氧化消耗这 两个过程平衡的结果。 水生植物作为湖泊生态系统中的初级生产者通过光合作用固定碳源，其中 部分储藏在植物的活体和土壤中，此外，集水区向湖泊湿地输送外来的有机质。 湖泊土壤因为淹水而形成的厌氧环境，为c h 4 产生提供了便利，厌氧微生物分 解土壤中的有机质，并产生c h 4 ；产生的c h 4 通过分子扩散、冒泡、植物体传 输到气水界面部分被氧化，部分排放到大气中。 有机质经过分解成c h 4 再从湖泊底层土壤通过水层释放到大气是一个复杂 的生物地球化学过犁删，大体上可以分为c h 4 的产生( m e t h a n ep r o d u c t i o n ) 、c h 4 氧化( m e t h a n eo x i d a t i o n ) 、c h 4 传输( t r a n s p o r t ) - - 个过程( 图1 1 ) 。 图1 1 湖泊c h 4 产生、传送和转化过程 f i g 1 1t h ep r o c e s s e so fc h 4p r o d u c t i o n , t r a n s m i s s i o na n dt r a n s f o r m a t i o ni nt h el a k e 第1 章绪论 ( 1 ) 湖泊c l l 4 的产生过程 产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧发酵转化成c h 4 和c 0 2 的古 细菌，它们生活在各种自然环境下，甚至在一些极端环境中。产甲烷细菌 ( m e t h a n o g e n s ) 目前已经发现有2 6 个属【2 l 】，分离鉴定的有2 0 0 多种。 c h 4 的生成主要有两条途径【2 2 】：厌氧发酵和c 0 2 还原，其总反应式为： c 6 h n 0 6 _ 3c 0 2 + 3c h 4 ； c h 3 c o o h _ c h 4 + c 0 2 ； c 0 2 + 4i - 1 2 c h 4 + 2h e o 在主反应发生之前，在湖泊底层的厌氧环境中由初级生产者固定和外源输 入的碳源，首先需要以下4 种微生物的作用，使土壤中有机质腐败分解，产生 小分子的简单物质，如c h 3 c o o h 、h c o o h 、h 2 和c 0 2 等小分子化合物，这 些化合物能在产甲烷细菌的作用下产生c i - 1 4i 冽： i 水解微生物区系( h y d r o l y t i cm i c r o f l o r a ) ：将聚合物水解成单体( 如：葡萄 糖、脂肪酸、氨基酸等) 。这类微生物包括好氧细菌、厌氧细菌和兼性细菌。 i i 发酵微生物区系( f e r m e n t a t i v e m i c r o f l o r a ) ：将单体化合物以及在发酵过程 中产生的中间态化合物酸化。该类群的微生物包括兼性细菌和严格的厌氧菌。 m 综合营养型和专性产醋酸的微生物区系( s y n t r o p h i co rh o m o a c e t o g e n i c m i c r o f l o r a ) ：将以往的代谢产物转化成醋酸。 产甲烷菌将简单的物质( h 2 + c 0 2 ，c h 3 c o o h ) 转化为c h 4 ，这也是甲烷 发酵过程的最后一步【2 l j 。 产甲烷茵在湖泊生态系统中相关研究主要集中在产c h 4 能力与环境的厌氧 条件、p h 值、土壤的氧化还原电位、有机质的分布幽j 等的关系。如湖泊底质表 层和深层的有机质含量差异，导致产甲烷菌的产c h 4 能力不一【2 4 】，大多研究结 果是随着底层土壤深度的增加，c h 4 产生降低 2 5 , 2 6 ，并在5 c m 以下时产甲烷茵 的产c h 4 能力几乎为0 2 4 ，但也有研究发现在湖泊底层土壤2 0 c m 以下其产c h 4 能力依然较高【2 7 】；湖泊底质产c h 4 能力存在时间上和空间的异质性【2 8 1 ，而最近 的研究进展主要集中在产甲烷菌在环境因子作用下的生理生态和分子生物学特 征【2 9 删。这些研究都是基于湖泊湿地生态系统的土壤厌氧条件下控制各种环境 因子的培养，获得土壤的c h 4 产生率来估算c h 4 通量的，而事实上除了这些非 生物因素环境因子的影响，生物因素的影响常常被忽略。生物因素影响产甲烷 菌产c h 4 能力主要表现为对生源物质的竞争和共生，比如在s 2 _ 、f e 2 + 、m n 2 + 6 第l 章绪论 等还原态离子存在的时候，硫化芮由于其热力学上效率更高的反应将优先进行， 从而抑制了产甲烷菌的活动【3 1 1 。 除了湖泊底质因素对产甲烷量有影响外，湖泊水体的营养状态也对c h 4 的 产生有着重要的影响。水体的富营养化可以增加湖泊底质的碳含量，降低底质 的氧化还原电位，同时水体中溶氧降低，厌氧环境加剧，促进c h 4 的产生。在 富营养化严重的湖泊经常可以看见大量的c h 4 气泡从湖底逸出。y a n g 对中国台 湾湖泊研究表明，湖泊底质的产c n 4 量与湖水的c o d 、b o d 含量存在正相关 关系【3 2 1 ，但是贡献相对较小。 伫) 湖泊c l - h 的氧化过程 在生态系统中c h 4 氧化是控制湿地c h 4 排放的重要过程。湿地c h 4 排放 ( m e t h a n ee m i s s i o n ) 是c h 4 产生、传输和氧化过程的综合作用的结果，其中湿地 c h 4 氧化量对于最终的c h 4 排放量影响巨大。与c h 4 产生相比，湿地c h 4 氧化 主要是通过单一类型的微生物c h 4 氧化细菌来完成，被认为是控制c h 4 通量的 重要因子f 3 3 1 ，主要发生在有氧无氧交界面1 3 4 和根围【3 5 】，达到c h 4 产生量的 1 , 9 0 3 6 - 3 8 1 。 目前，对土壤中c h 4 的两种氧化途径已经有了比较全面的认测3 9 1 。第一种 途径称为“高亲和力氧化( h i g ha f f i n i t yo x i d a t i o n ) ”，这类氧化可以将c i - h 浓度接 近大气c h 4 浓度甚至低于大气c h 4 浓度水平( 1 2m gk g 。) 的c h 4 氧化。据估计， 这一类型的c h 4 氧化占总c h 4 氧化的1 0 1 4 0 1 。第二种途径称为“低亲和力氧化 ( 1 0 wa f f i n i t yo x i d a t i o n ) ，这类氧化在c h 4 浓度高于4 0m gk g 以时才会发生【2 1 ，4 1 1 。 高亲和力氧化与低亲和力氧化过渡点的c h 4 浓度为1 0 0 1 0 0 0m gk g 1 4 2 , 4 3 】。在 产c h 4 的环境里，c h 4 的氧化都是低亲和力氧化，因为在这些环境里c h 4 的浓 度往往较高。在湖泊湿地当中，低亲和力氧化往往发生在土壤氧化层、有氧条 件下的水生植物的根际、根内以及其淹水的叶鞘内【4 4 1 。其中水体中c h 4 的氧化 能力要比土壤低3 4 个量级 4 5 j 。当以c h 3 f 作为c h 4 氧化菌抑制剂的时候，释 放的c h 4 量会是先前的5 1 0 倍 4 6 1 。 在好氧和厌氧环境中均能发生c h 4 氧化。好氧c h 4 氧化( a e r o b i cm e t h a n e o x i d a t i o n ) ，是在氧气和c h 4 共同参与下的氧化过程，原则上，甲烷和氧气对甲 烷氧化均具有限制作用。厌氧条件下，主要通过抑制c h 4 产生所需的电子受体 来氧化c h 4 ，氧化发生的初始s 0 4 2 浓度可能为1m m o ll 。在海洋系统中，厌 氧条件下通过s 0 4 2 。氧化c h 4 的现象比较多【3 列；而在淡水系统中，当硫酸盐浓 7 第1 章绪论 度低于o 2m m o ll 以时，厌氧c h 4 氧化( a n a e r o b i cm e t h a n eo x i d a t i o n ) 则不存在【4 1 7 1 。 此外，通过f e 计进行的厌氧c h 4 氧化过程也可能发生，但对于其他电子受体氧 化c h 4 的研究则比较少。 影响c h 4 氧化的因素很多，其中之一就是氮素。氮素影响c h 4 氧化的机理 不是单一形式，而是各种作用相互结合的效果，需要结合土壤的理化性质和生 物条件进行分析【4 8 1 。如在泥炭湿地，加入氮素会对c h 4 消耗产生抑制作用【4 9 ，5 0 1 。 而在温带泥沼，c a c e x 群落c h 4 的排放量和加入氨氮和硝氮的量成反比，认为 氮素刺激植物的生长，增强了传输0 2 的能力【5 1 1 。在澳大利亚洪泛平原的研究表 明，不管氨氮，还是硝态氮对c h 4 氧化速率都没有影响【5 2 1 。由于光照影响着维 管植物光合速率和传输0 2 的能力，所以它被认为是影响根系0 2 浓度的一个重 要因素【5 3 1 。影响根围c h 4 氧化的其他因素包括温度4 9 , 5 4 】，p h 5 4 1 - 等。湖泊湿地 c h 4 的氧化过程也受氧的可利用程度和其他气候因素的影响。 如上所述，c h 4 氧化过程的研究已经有了一定的深度，但氧化过程具体机 理的研究还有待进一步的深入，这需要分子生物学以及基因组学等多学科的交 叉。 ( 3 ) 湖泊c i l 4 的传输过程 厌氧环境下产生的c h 4 通过各种途径传输到大气，湖泊湿地c h 4 传输途径 主要有三种：水中扩散、气泡和植物传输。在不同湖泊湿地或同一湖泊湿地的 不同时期，各种传输途径的重要性可能不同。 由于不同深度中c h 4 浓度不同，表层一般低于下层，而大气中c h 4 浓度又 低于表层，从而在大气和湖泊之间形成一个c h 4 浓度梯度体系，c h 4 在液相中 凭借浓度梯度可以扩散进入大气。但是由于气体在水中的扩散系数比大气中慢 1 0 0 0 0 倍，同时由于大气和水面之间好氧环境的存在，使得c h 4 大部分在排放 进入大气前被氧化。因此，通过扩散排放的c h 4 比例相对较小。气体扩散系数 与风速和温度有关1 5 副，风速增大使湖泊湿地一大气界面厚度减小，从而使c h 4 向大气的扩散速率增加，扩散系数与风速线性相关，而风导致波浪形成时则表 现为指数关系；水温的增加影响气体溶解度和水的粘滞度。两个影响结果都将 导致水温上升时气体从水体向大气大量逸散。 当水相中的气体浓度达到一定值时就会产生气泡，而当气泡分压达到一定 程度时，就会上浮、逸出水面、进入大气。由于气泡主要由c 0 2 、c h 4 等气体 组成，很少含有氧气，其中的c h 4 不易被氧化，因此气泡是c h 4 排放比较有效 8 第l 章绪论 的一种方式。从初夏到秋季的温暖期富含有机质的湖泊湿地底质中尤其可能出 现分压的增加，为产c h 4 菌提供了理想的生长条件。于是，在浅水湖泊湿地中， 气泡传输有时为总c h 4 通量的重要原因，其值随季节时间而异1 5 酬。 在有通气组织的植物存在时，c h 4 通过植物的释放速率是通过水相扩散的 1 0 4 倍【5 刀。植物传输具有的这些特点使得人们展开了许多相应的研究，不但不同 的植物群落之间的传输量有较大的差异【5 引，植物不同的生长期，传输能力会也 有所变化【5 9 j 。同类型植物采取的传输c h 4 的机制也是不同的，主要分为分子扩 散和对流传输1 6 0 。研究人员还引入了植物解剖学，通过对植物组织结构的解剖， 并运用同位素示踪方法研究植物通气结构特点及其对c h 4 传输的作用。如最近 的研究发现根系和茎的通气组织是直接相连的，但在根和茎的过渡带存在致密 的闰分生组织细胞，它是限制c h 4 扩散的主要阻力1 6 。 在一些较深的湖泊，湖水会由于温度的差异而发生分层，它的下部滞水层 可以积累c h 4 气体，从而在湖水中形成c h 4 的储库。在湖泊周转的时候，这个 储库会迅速的向大气释放c h 41 6 2 。比如在双融温湖泊的春季和秋季，水的静压 力减少，气泡的产生量增加【6 3 删。在亚马逊盆地c a l a d o 湖的研究发现，秋季水 位降低导致湖泊层结消失的时候，c h 4 的排放通量最大1 6 5 】。这种储库功能取决 于c h 4 的产生能力，厌氧层的容量，以及c h 4 氧化和传输的能力。 1 1 5 湖泊甲烷的通量 如前所述，湖泊湿地c h 4 通量是估算湖泊湿地c h 4 排放量的基础数据之一。 湖泊湿地c h 4 通量为单位面积的湖泊湿地大气界面在单位时间内向大气排放 c h 4 的量，它是湖泊湿地产生的c h 4 量扣除氧化量、库量增加量和水平传输量 后经扩散传输、气泡传输和( 或) 植物体传输而进入大气的c h 4 量。湖泊湿地c h 4 通量与产生量、氧化量、库量和水平传输量的定量关系可表述为： c h 4 通量= 产生量氧化量库量增加量水平传输量 1 1 6 研究现状及发展动态 目前针对c h 4 排放的研究主要从深度和广度两个方面进行拓展，其最终目 的仍然是围绕甲烷排放的源和汇的进行研究。每年自然和人为来源排放进入大 气的甲烷量，不同研究者获得的结果不尽一致，i p p c i 7 1 估计为5 2 0t g ，k h a l i l a s 9 第1 章绪论 的估计值为5 1 5t g ，具体来源列于表1 2 。由表可知，大气c n 4 的人为来源占 7 1 8 8 ，自然来源仅占2 8 1 2 。 表1 2 大气中c h 4 的主要来源( t g ，) e 6 6 1 t a b l e1 2s o u r c e sf o ra t m o s p h e r i cm e t h a n e 数量 1 52 52 53 05 05 06 08 03 0 2 0 l1 02 05 1 5 比例( ) 2 9 l 4 8 54 8 55 8 39 7 19 7 11 1 6 5 1 5 5 3 5 8 3 3 8 82 1 3 63 8 81 0 0 0 0 合计( ) 7 0 8 72 9 1 31 0 0 0 0 目前国内外针对c h 4 的在温室效应方面的研究基本都是围绕上述各个来源 进行的，尤其集中在湿地( 自然来源) 和水田( 人为来源) c h 4 排放的研究上。 由于湿地土壤中过饱和的水分环境使得动植物残体分解缓慢有机质含量丰富， 为c h 4 的产生提供了良好的条件，从而使湿地成为全球最大的排放源1 6 7 。所以 围绕湿地c h 4 的研究开展的比较早，也比较全面，研究主要集中在以下几个方 面：( 1 ) 不同湿地c h 4 通量排放的研究；( 2 ) 湿地产甲烷细莴研究，这方面主 要关注的是产甲烷细菌的分析与鉴刘2 1 1 ，产甲烷细菌产生甲烷所需要的条件， 敏感因素，限制因子掣2 1 , 6 s , 6 9 ；( 3 ) 湿地产甲烷过程研究，也即c h 4 产生机制 的研列7 0 】：( 4 ) 湿地c n 4 传输途径的研耕5 7 - 6 0 1 ；( 5 ) 湿地c h 4 排放通量的影响 因素及建立模型等。这些研究在一定程度上很好的评估了各个地区沼泽湿地的 c h 4 排放通量，认清了c h 4 产生、传输、排放、氧化的基本原理，并找出了相 应的影响因素，同时建立了一些湿地c h 4 排放模型，如c h 4 m o d 、d n d c 模 型【7 1 , 7 2 】。 水田排放的c h 4 是最大的人为源，也是第二大c h 4 源，由于生产方式等人 为因素为可调控的，所以针对这方面开展了广泛的研究。早在1 9 6 4 年，日本科 学家就指出稻田是大气c h 4 的一个重要来源。稻田c h 4 的研究不但从稻田特点 上对甲烷菌、c h 4 的产生机理、传输机制、影响因素等等做了更加深入的研究 和调查，并且从c i c e r o n e l 7 3 1 1 9 8 1 年首先开始对稻田c h 4 进行全面完整系统的观 测以来，世界各国研究人员的工作在稻田c h 4 的排放水平、排放特征、排放途 径以及c h 4 排放的影响因素等方而积累了丰富的经验和比较深刻的认识。广泛 而深入的开展这方面的研究与世界各国政府在全球变暖的大议题下尽可能的为 国内经济谋求最大利益是分不开的。因此目前国内以至其他各国对稻田c h 4 的 1 0 第1 章绪论 研究主要是怎样正确估测区域内总体c h 4 排放总量，特别是在水稻不同产区不 同类型稻田进行c h 4 排放速率的连续系统观测，并结合进行c h 4 排放速率与环 境条件关系的研究，以得出不同地区、不同类型稻田c h 4 排放速率的较为准确 的数字，在此基础上建立排放的过程模型，估计区域以及全球的稻田c h 4 的较 为准确的排放量，并研究改进耕作方式，降低c h 4 的排放。 湖泊c h 4 排放尤其是城市湖泊c h 4 的排放通量由于面积较小，通常为人们 所忽略，但是对于针对一个城市而言，湖泊不仅仅是一个城市的亮点，更加重 要的是在城市生态系统中扮演着举足轻重的作用。此前人们针对城市湖泊的研 究主要集中在湖泊的治理上，比如水体富营养化、各种污染物质在城市湖泊的 生物地球化学方面的演替、微生物治水等，现在人们更加关注城市湖泊的生态 研究，如湖泊的景观规划、旅游开发利用、生态设计和景观修复等方面的研究。 在生态系统中，城市碳的收支是全球碳循环的重要环节，城市作为人类活动最 为集中的地方，受人类影响最大，虽然国内为开展了很多相应的城市碳收支的 研究，但是目前将城市湖泊c h 4 排放纳入碳循环的研究较少。 影响湿地c h 4 排放通量的因素研究是目前开展c h 4 排放研究的一个重点， 厌氧环境下的微生物分解有机物的过程使得这些微生物形成了一个食物链，而 产c h 4 菌的活动处在这个厌氧食物链的最后一个环节，它的活动使抑制厌氧代 谢的产物不能形成，从而使生物降解过程不会中断。所以，任何干扰厌氧食物 链特别是产c h 4 菌的因子都会影响到c h 4 的产生。这些干扰因素在宏观上则主 要表现为湿地土壤的理化性质、湿地生长的植物类型以及气候条件。其中主要 以土壤的温度、湿度、p n 值、氧化还原电位、土壤基质、植物状况( 主要与植 物对c h 4 传输作用有关，前面已述) 等对c h 4 产生有较大影响。 通常湿地土壤中c h 4 的产生速率随温度的升高而增加1 7 4 j ，室内培养实验也 发现地表积水湿地c h 4 产率随土壤温