Biogeosciences, 5, 937947, 2008
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? Author(s) 2008. This work is distributed under
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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
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摘要： 最近的一些研究表明，活著的植物和分離的植物體能夠在有氧情況下產(chǎn)生數(shù)量驚人的甲烷。這些研究在科學(xué)界甚至社會(huì)中引起了激烈的爭(zhēng)論。許多研究有著相反的意見，其中一些研究質(zhì)疑將實(shí)驗(yàn)室的研究擴(kuò)展到全球尺度是否可行，另一些則認(rèn)為是實(shí)驗(yàn)的誤差導(dǎo)致了錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，并且有兩個(gè)研究（其中一個(gè)是基于穩(wěn)定性同位素）在近期報(bào)道植物不能釋放出CH4。因此我們根據(jù)許多獨(dú)立的試驗(yàn)，分別測(cè)試，干的植物樣本，分離的鮮植物體，以及植物的組成部分（木質(zhì)素，纖維素，膠體等），在UV的照射下，或者在升溫的情況下有明顯的甲烷排放。UV幾乎是瞬間引發(fā)甲烷排放，因?yàn)槲覀兛梢詳喽ㄟ@是一個(gè)光化學(xué)過(guò)程。而長(zhǎng)時(shí)間的輻射試驗(yàn)表明CH4庫(kù)的容量是極端巨大的，比實(shí)驗(yàn)中吸附和稀釋帶來(lái)的誤差大很多個(gè)數(shù)量級(jí)，所以不可能是試驗(yàn)誤差造成的錯(cuò)誤。純13C植物葉片釋放的13CH4和普通葉片釋放普通CH4的速率相同。
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簡(jiǎn)介：甲烷（CH4）是僅次于CO2重要的第二號(hào)溫室氣體，也是大氣中含量最豐富的有機(jī)氣體，因此是大氣中最重要的組成部分（Forster et al., 2007）。在已發(fā)表的文獻(xiàn)中，認(rèn)為甲烷主要由在濕地，稻田，垃圾填埋場(chǎng)以及反芻動(dòng)物的胃腸道中的厭氧細(xì)菌制造的，或者是由燃燒化石燃料或者生物體產(chǎn)生的。甲烷最主要的匯是在對(duì)流層中與羥基發(fā)生反應(yīng)移除。土壤中的微生物作用和同溫層中吸收是相對(duì)小的匯。最近，(Keppler et al., 2006)發(fā)表了他的研究成果，他在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)活植物體，植物凋落物，以及植物膠體可以在有氧情況下釋放CH4。盡管他們做了深入細(xì)致的研究，但是結(jié)果仍然受到了質(zhì)疑，在Keppler的文獻(xiàn)發(fā)表以后，尤其是第二點(diǎn)，外推全球的甲烷源被廣泛的批評(píng)，一些研究計(jì)算出的植物甲烷源要小很多(但是這小得多的數(shù)據(jù)，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)。當(dāng)然，在進(jìn)行更多的測(cè)量前，任何的推算都存在著很大的不確定性。舉例來(lái)說(shuō)，我們不知道，植物的各個(gè)部分（根，葉，莖桿）甲烷的排放強(qiáng)度如何，也不清楚環(huán)境因素對(duì)排放的影響如何，而這些不確定性在Keppler2006（Methane emissions from terrestrial plants under aerobic conditions, Nature, 439, 187191, doi:110.1038/nature04420, 2006.）發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象時(shí)就已經(jīng)提出。換一種說(shuō)法，如果真的存在一種有氧的甲烷生成機(jī)制，那么倒的確可以解釋一些現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象表明有一些較大的甲烷源。比如最近的衛(wèi)星和飛行器觀察結(jié)果顯示，在熱帶雨林地區(qū)有一個(gè)強(qiáng)的甲烷釋放源。(Frankenberg et al., 2005; Frankenberg et al., 2006; Miller et al., 2007)，但是地面觀察網(wǎng)絡(luò)的甲烷排放數(shù)據(jù)比衛(wèi)星數(shù)據(jù)還差很多，需要更多的甲烷排放源(Bergamaschi et al., 2007)。還有，在1500AD年前的冰芯中甲烷有著更高的13C含量，(Ferretti et al., 2005) 但是一般認(rèn)為前工業(yè)時(shí)代的甲烷主要來(lái)自于低13C的濕地排放，這很難符合。最初的解釋是前工業(yè)時(shí)代的生物燃燒帶來(lái)的高13C含量，但是新的數(shù)據(jù)顯然在全新季（Holocene）含有更高的13C含量，所以這個(gè)解釋是很難成立的（Schaefer et al., 2006）。固然高水平的燃燒是可能的，但是植被的大量排放，也應(yīng)該是可以接受的。(Houweling et al., 2006, 2007)。直接的大氣測(cè)量也證實(shí)甲烷由植物排放。(Crutzen et al., 2006; do Carmo et al., 2006; Sanhueza and Donoso, 2006; Sinha et al., 2007)最近的研究報(bào)道在內(nèi)蒙古草原上的灌木釋放甲烷，但是草本沒(méi)有發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，但是不排除草本釋放的可能。(Wang et al., 2007)。
因此科學(xué)問(wèn)題是，沒(méi)有微生物的作用，在正常氣候條件下，植物會(huì)排放多少甲烷，以什么機(jī)制排放。最早從事此類研究的是Dueck et al., （2007)，但是并不肯定他的結(jié)果，一株在純13C環(huán)境下生長(zhǎng)的植物（這樣的植物應(yīng)該只釋放13CH4）并沒(méi)有釋放出13C的CH4。Beerling et al. (2008)報(bào)道C3和C4植物不排放甲烷，但是認(rèn)為存在一個(gè)光合有效輻射外的特定波段的光譜可以激發(fā)一個(gè)非酶過(guò)程。不過(guò)，對(duì)于我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象（比如Keppler 2006 年的穩(wěn)定性同位素實(shí)驗(yàn)）的最好的假設(shè)是，植物直接排放甲烷。
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??? 面對(duì)已經(jīng)出現(xiàn)的（關(guān)于植物能排放甲烷）反駁，我們?cè)O(shè)計(jì)了一系列測(cè)量試驗(yàn)，以驗(yàn)證是否真的存在一個(gè)有氧情況下的甲烷產(chǎn)生機(jī)制。為了排除潛在的活體植物的并發(fā)因素，我們嚴(yán)格挑選干的和新鮮的植物體，以及選用植物的組織，膠質(zhì)，木質(zhì)素和纖維素。我們應(yīng)用動(dòng)態(tài)流動(dòng)反應(yīng)容器，以避免固定容器帶來(lái)的潛在差誤。（開路閉路？？）所以，與光合呼吸相關(guān)的因素也不成為干擾，我們不必穩(wěn)定CO2的濃度，也同時(shí)消除由于蒸騰帶來(lái)的高濃度水汽。
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