Biogeosciences, 5, 937947, 2008
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Biogeosciences
Effect of UV radiation and temperature on the emission of methane from plant biomass and structural components
I. Vigano1, H. van Weelden2, R. Holzinger1, F. Keppler3, A. McLeod4, and T. R¨ockmann1
1 Institute for Marine and Atmospheric research Utrecht (IMAU), Utrecht University, Princetonplein 5,3584ED Utrecht, The Netherlands
2 Department of Dermatology and Allergology Utrecht University Medical Center Utrecht, Heidelberglaan 100, 3584CX Utrecht, The Netherlands
3 Max-Planck-Institute for Chemistry, Joh.-Joachim-Becher-Weg 2, 55128 Mainz, Germany
4 School of GeoSciences, University of Edinburgh, Crew Building, The King’s Buildings, West, UK
Received: 7 December 2007 Published in Biogeosciences Discuss.: 21 January 2008
Revised: 8 May 2008 Accepted: 1 June 2008 Published: 26 June 2008
摘要： 最近的一些研究表明，活着的植物和分离的植物体能够在有氧情况下产生数量惊人的甲烷。这些研究在科学界甚至社会中引起了激烈的争论。许多研究有着相反的意见，其中一些研究质疑将实验室的研究扩展到全球尺度是否可行，另一些则认为是实验的误差导致了错误的数据，并且有两个研究（其中一个是基于稳定性同位素）在近期报道植物不能释放出CH4。因此我们根据许多独立的试验，分别测试，干的植物样本，分离的鲜植物体，以及植物的组成部分（木质素，纤维素，胶体等），在UV的照射下，或者在升温的情况下有明显的甲烷排放。UV几乎是瞬间引发甲烷排放，因为我们可以断定这是一个光化学过程。而长时间的辐射试验表明CH4库的容量是极端巨大的，比实验中吸附和稀释带来的误差大很多个数量级，所以不可能是试验误差造成的错误。纯13C植物叶片释放的13CH4和普通叶片释放普通CH4的速率相同。
简介：甲烷（CH4）是仅次于CO2重要的第二号温室气体，也是大气中含量最丰富的有机气体，因此是大气中最重要的组成部分（Forster et al., 2007）。在已发表的文献中，认为甲烷主要由在湿地，稻田，垃圾填埋场以及反刍动物的胃肠道中的厌氧细菌制造的，或者是由燃烧化石燃料或者生物体产生的。甲烷最主要的汇是在对流层中与羟基发生反应移除。土壤中的微生物作用和同温层中吸收是相对小的汇。最近，(Keppler et al., 2006)发表了他的研究成果，他在实验室试验中发现活植物体，植物凋落物，以及植物胶体可以在有氧情况下释放CH4。尽管他们做了深入细致的研究，但是结果仍然受到了质疑，在Keppler的文献发表以后，尤其是第二点，外推全球的甲烷源被广泛的批评，一些研究计算出的植物甲烷源要小很多(但是这小得多的数据，依然在全球甲烷研究中占有重要的地位)（Butenhoff and Khalil, 2007; Ferretti et al., 2006; Houweling et al., 2006; Kirschbaum et al., 2006, 2007; Bergamaschi et al., 2006)。当然，在进行更多的测量前，任何的推算都存在着很大的不确定性。举例来说，我们不知道，植物的各个部分（根，叶，茎杆）甲烷的排放强度如何，也不清楚环境因素对排放的影响如何，而这些不确定性在Keppler2006（Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions, Nature, 439, 187191, doi:110.1038/nature04420, 2006.）发现此现象时就已经提出。换一种说法，如果真的存在一种有氧的甲烷生成机制，那么倒的确可以解释一些现象，而这些现象表明有一些较大的甲烷源。比如最近的卫星和飞行器观察结果显示，在热带雨林地区有一个强的甲烷释放源。(Frankenberg et al., 2005; Frankenberg et al., 2006; Miller et al., 2007)，但是地面观察网络的甲烷排放数据比卫星数据还差很多，需要更多的甲烷排放源(Bergamaschi et al., 2007)。还有，在1500AD年前的冰芯中甲烷有着更高的13C含量，(Ferretti et al., 2005) 但是一般认为前工业时代的甲烷主要来自于低13C的湿地排放，这很难符合。最初的解释是前工业时代的生物燃烧带来的高13C含量，但是新的数据显然在全新季（Holocene）含有更高的13C含量，所以这个解释是很难成立的（Schaefer et al., 2006）。固然高水平的燃烧是可能的，但是植被的大量排放，也应该是可以接受的。(Houweling et al., 2006, 2007)。直接的大气测量也证实甲烷由植物排放。(Crutzen et al., 2006; do Carmo et al., 2006; Sanhueza and Donoso, 2006; Sinha et al., 2007)最近的研究报道在内蒙古草原上的灌木释放甲烷，但是草本没有发现此现象，但是不排除草本释放的可能。(Wang et al., 2007)。
因此科学问题是，没有微生物的作用，在正常气候条件下，植物会排放多少甲烷，以什么机制排放。最早从事此类研究的是Dueck et al., （2007)，但是并不肯定他的结果，一株在纯13C环境下生长的植物（这样的植物应该只释放13CH4）并没有释放出13C的CH4。Beerling et al. (2008)报道C3和C4植物不排放甲烷，但是认为存在一个光合有效辐射外的特定波段的光谱可以激发一个非酶过程。不过，对于我们已经发现的现象（比如Keppler 2006 年的稳定性同位素实验）的最好的假设是，植物直接排放甲烷。
面对已经出现的（关于植物能排放甲烷）反驳，我们设计了一系列测量试验，以验证是否真的存在一个有氧情况下的甲烷产生机制。为了排除潜在的活体植物的并发因素，我们严格挑选干的和新鲜的植物体，以及选用植物的组织，胶质，木质素和纤维素。我们应用动态流动反应容器，以避免固定容器带来的潜在差误。（开路闭路？？）所以，与光合呼吸相关的因素也不成为干扰，我们不必稳定CO2的浓度，也同时消除由于蒸腾带来的高浓度水汽。
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