温度对中亚热带树木叶片甲烷排放的影响
摘要
CH4 是大气中仅次于CO2 的第二大温室气体,因此大气CH4 的源汇平衡备受重视。一般认为,大气CH4 主要来自于湿地、湖泊沉积物等自然排放源和稻田、反刍动物、生物质燃烧和化石燃料燃烧等人为排放源。然而,Keppler 等研究却惊人地发现陆生植物在有氧条件下也能排放CH4 ,并估计全球植被CH4 排放量为62 ~236Tg/yr (平均149Tg/yr),约占全球总CH4 排放量的10 %~30%。显然,这个发现不仅与过去一直认为的"自然排放的CH4 是微生物在厌氧条件下所产生的"的常识相悖,而且CH4 排放量相当惊人,因此引起了人们的极大争议。植物否能排放CH4 是目前存在的最大争议,因为不同的研究结果差异很大,排放机制也不清楚。一些室内培养研究证实植物在有氧环境下能排放CH4,一些野外观测实验也认为植物能排放CH4。一些研究认为果胶、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。然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,一些研究者认为植物没有产生CH4 必需的生物化学途径,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。植物CH4 排放量的大小也存在很大争议。Keppler 等利用其室内实验室测定的植物排放CH4 速率,基于全球不同地带植被类型的NPP 、生长季和每天平均日照长度的数据,推算了全球植被的CH4 排放量为62~236Tg·a -1。利用Keppler 等的研究结果,Kirschbaum 等基于叶生物量和光合速率外推的全球植物CH4排放量为10~60 Tg ·a -1 ,Parsons 等基于叶和非叶生物量计算结果约为53 Tg ·a -1 ,而Houweling 等则基于大气传输模型模拟估计目前全球植被排放CH4 的上限为125 Tg ·a -1 ,工业革命前为85 Tg ·a -1 。由于这些估计大多采用的CH4 排放速率是基于一个单一的室内短期实验,而全球的环境条件和植被类型是极为复杂的,将极大地限制有氧环境下植被排放CH4 的估计精度,因此全球植被CH4 排放的估计仍存在很大不确定性。由于植物排放CH4 的现象还缺乏明确的机制,目前,已有研究多数认为有氧环境植物排放CH4 是在环境胁迫条件下发生的,已有研究发现温度和UV 辐射是影响植物CH4排放的最重要环境因子。植物的CH4 排放对温度非常敏感,温度每升高10 ℃植物排放CH4 排放速率增加1 倍,表明植物排放CH4 可能是一个非酶调节过程;然而,这些实验温度高达70 ~80 ℃,可能导致植物细胞发生许多化学变化、形态改变和化合物的破坏,从而引起细胞物质的分解和CH4的排放,因此植物排放的CH4 可能是光、高UV 辐射、加热和γ辐射等因素引起植物细胞物质降解的一个副产物。而正常生长条件下的植物环境温度不可能如此高,正常环境温度下的增温能否引起植物CH4 的增加尚不明确。本研究对中亚热带51 种植物离体叶片进行室内培养,结果表明:在常温有氧环境下,有30 种植物能排放甲烷,且排放速率范围为0.05 ~1.19 ngCH4·g -1 DW·h -1 。选取罗浮栲、木荷、柑橘和马尾松等五六种植物,分别置于20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃四个温度梯度下进行培养,五种植物叶片甲烷排放速率在30 ℃与20 ℃时均没有差异;40 ℃时,除罗浮栲和浙江桂外,其余三种植物叶片甲烷排放速率均与30 ℃之间存在极显著差异,而除罗浮栲外,其它四种植物均与20 ℃时有极显著差异。温度达到50 ℃时,五种植物叶片甲烷排放速率均与其它三个培养温度间存在极显著差异,且显著上升,比40 ℃时约增加了1~4 倍,此时升温明显促进了植物叶片的甲烷排放。