学年论文(课程设计)
题 目 湿地温室气体排放研究进展
学生姓名 马松 学 号 20071343001
学 院 环境科学与工程学院
专 业 环境工程
指导教师 徐德福
二Ｏ一Ｏ年十二月二十日
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湿地温室气体排放研究进展
马松20071343001
南京信息工程大学 环境科学与工程学院，南京 210044
摘要：本文综述了湿地温室气体排放的研究进展，包括湿地温室气体的来源、危害、湿地温室气体的排放量、影响湿地温室气体的排放因素、温室气体排放调控等内容，提出了温室气体排放的研究方向。 关键词：研究进展； 影响因素； 排放；温室气体；研究
1引言
全球气温变暖日趋严重，最近50年（1956-2005）的线性变暖趋势为每十年0.13℃
（0.10℃-0.16℃）几乎是近一百年（1906-2005）的两倍。自上世纪80年代以来大量的研究证明温室气体浓度增加可导致全球变暖。温室气体的排放主要指CO2、CH4和氮氧化物，据IPCC公布，截止2005年，全球CO2、CH4、N2O的浓度已经分别增至379ppm、1774ppb、319ppb。湿地是地球生态系统的重要组成部分，含有大量的物种和能量，维持生命活动的正常运转，同时还担负着调节气温，控制生态平衡等多种功能。湿地对气候变暖具有非常重要的影响，这是由于湿地土壤是一个巨大的有机碳库，湿地土壤有机碳密度高，固碳能力较强。近年来人类盲目开发利用湿地，致使湿地土壤有机碳使用含量减少，打破了自然界碳储量的原有平衡，致使湿地生态系统的碳储量急剧下降。这一系列问题的严重性已受到学术界研究人员的广泛注意，恢复和保护湿地固碳功能，减少温室气体排放刻不容缓。
2湿地温室气体的来源
2.1 湿地CH4的来源
CH4从湿地中的排放是发生在土壤中的一系列生物和物理过程的结果。在厌氧环境条件下，
CH4通过甲烷产生菌的作用而产生；在氧化条件下，CH4通过甲烷营养菌的作用而被氧化和迁移。关于该过程的控制因子，已有较多的研究工作，这些因子主要包括：水位（决定缺氧土壤层范围和程度，缺氧层CH4的产生，含氧层 CH4被氧化）；土壤温度（影响微生物过程及其速率，如有机物质的降解、CH4产生和氧化速率等）；产生CH4的酶作用物质的有效性和质量；CH4迁移进入大气的途径等。CH4从土壤中的排放和吸收经过几个生物的和物理的过程。在土壤缺氧及沉积环境下，当大量不稳定的有机质输入且SO4浓度较高时，碳质发生矿化并最终形成CH4，其中土壤中的[乙酸发酵和CO2还原是生成CH4的主要途径。
2.2 湿地CO2的来源
湿地中CO2来源主要是由于碳循环，湿地是陆地生态系统不可缺少的组成部分，同时也是重要的碳库。碳循环是指碳元素在大气、水体、动植物、土壤等圈层中的迁移和转变的一系列物理化学和生物过程。湿地碳循环的过程主要表现为：植物吸收大气中的CO2与水分，通过光合作用生成有机物和CO2，有机物经过食物链传递被动物吸收，生物死亡后在好氧条件下腐蚀在土壤中的有机质经微生物分解成CO2又释放到大气中，在厌氧环境下则生成CH4释放到大气中，同时植物在呼吸过程中也会释放出CO2（图1）湿地碳循环影响着CO2和CH4的平衡：湿地植物吸收大气中的CO2经光合作用产生有机质供植物吸收并通过食物链传递给各级高级消
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费者，动植物残体在微生物的分解下形成腐殖质储藏于土壤中，起到固碳作用；同时湿地植物呼吸释放CO2微生物在产生腐殖作用的同时也在使有机质发生矿化，释放CO2与CH4由此可知湿地土壤既是碳汇又是碳源，由于人类的开垦利用，自然界中CO2、CH4严重失衡 因此要增强湿地碳汇功能，发挥湿地在温室气体减排中的作用。 无机 释放 死亡 分解 转化 输入
2.3 湿地NOX的来源
大气CO2 CH4 无机释放 呼吸 呼吸 光合 死亡 动物 植 物 提取 输出 分解转吸收 凋落 化 湿地土壤 CO2 CH4 N2O 排放 图1 湿地土壤温室气体循环
NO3大气中的N2O有70%来自土壤，湿地N2O的排放主要源于土壤中的硝化和反硝化作用。（1）硝化作用包括自养硝化作用和异养硝化作用。前者是指由化能自养硝化细菌利用CO2
-作为C源，将NH4+氧化成NO2和NO3的微生物过程，此过程分两个阶段：第一阶段是在亚硝
---化细菌的作用下，将NH4+氧化成NO2；第二阶段是在硝化细菌的作用下，将NO2氧化成NO3，其具体过程可表示如下：
后者指由化能异养硝化细菌在好氧条件下，以有机碳作为C 源和能源，将NH4+或有机化
--合物氧化成NO2或NO3的过程。而N2O在硝化过程中是以中间产物存在的。具体过程可表示如下一般认为，自养硝化作用在土壤N2O 产生中最为重要。然而，由于异养硝化菌在酸化土壤中活性不会受太大影响，在pH 过低或温度过高的不适于自养硝化细菌生长的土壤中仍能进行异养硝化作用，因此，异养硝化作用同样不可忽视。
--（2）反硝化作用是微生物在一系列还原酶的作用下，将NO3、NO2还原成NO、N2O、N2的过程。其具体过程如下：
[7]
Simek 等认为，硝化细菌的反硝化作用是硝化作用的一个特殊过程，反硝化作用是大多
[8]
数土壤产生N2O气体的主要机制。而Ruckauf等研究发现，湿地土壤在淹水条件下，反硝化作用是主要过程并且N2的释放量超过N2O而成为反硝化作用的主要产物。
- 传统观点认为，反硝化作用是一个非常严格的厌氧过程，只有在缺氧条件下NO3才会作为
[9][10]
电子受体而被还原，但是后来Norihisa 等报道了好氧反硝化细菌和好氧反硝化酶系的存在，随后的研究中人们证实了这一结论，并发现了一系列存在于土壤中的好氧反硝化细菌。 3温室气体的危害
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温室气体包括二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等。温室气体的增加导致全球气候变化。近年来，世界各国出现了几百年来历史上最热的天气，厄尔尼诺现象也频繁发生，给各国造成了巨大经济损失。发展中国家抗灾能力弱，受害最为严重，发达国家也未能幸免于难，1995年芝加哥的热浪引起500多人死亡，1993年美国一场飓风就造成400亿美元的损失。80年代，保险业同气候有关的索赔是140亿美元，1990到1995年间就几乎达500亿美元。这些情况显示出人类对气候变化，特别是气候变暖所导致的气象灾害的适应能力是相当弱的，需要采取行动防范。按现在的一些发展趋势，科学家预测有可能出现的影响和危害有： 3.1海平面的上升
全世界大约有1/3的人口生活在沿海岸线60公里的范围内，经济发达，城市密集。全球气候变暖导致的海洋水体膨胀和两极冰雪融化，可能在2100年使海平面上升50厘米，危及全球沿海地区，特别是那些人口稠密、经济发达的河口和沿海低地。这些地区可能会遭受淹没或海水人侵，海滩和海岸遭受侵蚀，土地恶化，海水倒灌和洪水加剧，港口受损，并影响沿海养殖业，破坏供排水系统。 3.2影响农业和自然生态系统
随着二氧化碳浓度增加和气候变暖，可能会增加植物的光合作用，延长生长季节，使世界一些地区更加适合农业耕作。但全球气温和降雨形态的迅速变化，也可能使世界许多地区的农业和自然生态系统无法适应或不能很快适应这种变化，使其遭受很大的破坏性影响，造成大范围的森林植被破坏和农业灾害。 3.3加剧洪涝、干旱及其他气象灾害
气候变暖导致的气候灾害增多可能是一个更为突出的问题。全球平均气温略有上升，就可能带来频繁的气候灾害--过多的降雨、大范围的干旱和持续的高温，造成大规模的灾害损失。有的科学家根据气候变化的历史数据，推测气候变暖可能破坏海洋环流，引发新的冰河期，给高纬度地区造成可怕的气候灾难。 3.4影响人类健康
气候变暖有可能加大疾病危险和死亡率，增加传染病。高温会给人类的循环系统增加负担，热浪会引起死亡率的增加。由昆虫传播的疟疾及其他传染病与温度有很大的关系，随着温度升高，可能使许多国家疟疾、淋巴腺丝虫病、血吸虫病、黑热病、登革热、脑炎增加或再次发生。在高纬度地区，这些疾病传播的危险性可能会更大。 3.5气候变化及其对我国的影响
从中外专家的一些研究结果来看，总体上我国的变暖趋势冬季将强于夏季；在北方和西部的温暖地区以及沿海地区降雨量将会增加，长江、黄河等流域的洪水爆发频率会更高；东南沿海地区台风和暴雨也将更为频繁；春季和初夏许多地区干旱加剧，干热风频繁，土壤蒸发量上升。农业是受影响最严重的部门。温度升高将延长生长期，减少霜冻，二氧化碳的\肥料效应\会增强光合作用，对农业产生有利影响；但土壤蒸发量上升，洪涝灾害增多和海水侵蚀等也将造成农业减产。对草原畜牧业和渔业的影响总体上是不利的。海平面上升最严重的影响是增加了风暴潮和台风发生的频率和强度，海水入侵和沿海侵蚀也将引起经济和社会的巨大损失。全球气候系统非常复杂，影响气候变化因素非常多，涉及太阳辐射、大气构成、海洋、陆地和人类活动等诸多方面，对气候变化趋势，在科学认识上还存在不确定性，特别是对不同区域气候的变化趋势及其具体影响和危害，还无法作出比较准确的判断。但从风险评价角度而言，大多数科学家断言气候变化是人类面临的一种巨大环境风险。
4湿地温室气体的排放量
4.1湿地甲烷排放总量估算
从全球范围看，湿地主要集中在远北的高纬度地带（那里的永冻土使土壤排水不良）和热
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带地区（那里的降雨量高）。Matthews等（1987）把湿地归纳为五类，即森林泥炭土、非森林泥炭土、森林沼泽、非森林沼泽和冲积Aselmann等（1989）估算全球释放CH4的湿地面积为5.7×1012㎡，并认为一半以上的湿地位于北纬50°～ 70°之间的阿拉斯加、加拿大和前苏联以及北纬10°与南纬20°之间的亚马逊泛洪平原、东南亚和非洲。
不同纬度上湿地的面积和CH4释放速度率均不相同。Karen等(1993)根据Mattews等(1987)提出的湿地面积和CH4释放季节，详细估算了每10个(或5个)纬度间隔的湿地CH4释放量(表1) ， 进而计算出全球湿地CH4通量为109Tg/a(包括干湿冻土层CH4Tg /a)，其中寒带湿地占34%，温带湿地占5%，热带湿地占60%，这一甲烷释放总量与其他学者的估算结果十分接近（表2），因此基本上可以认为全球湿地CH4的年排放量为110Tg，约占全球CH4释放总量的21%左右。
中国有湿地2.499×1011㎡约占全球湿地面积的4.7%，目前我国学者对稻田甲烷排放速率研究较多，而湿地甲烷排放规律的研究基本上无人问津，所以可利用的湿地CH4释放速率资料不多，也就无法对中国湿地CH4释放总量及其对全球的贡献做出较为客观的估算。
表1 全球湿地CH4释放量估算 Tg/a
纬 度 气 候 湿 地 类 型 带 森林 泥 非 森 林 炭 土 80°-70°N 70°-60°N 60°-50°N 50°-45°N 45°-40°N 40°-30°N 30°-20°N 20°-10°N 10°-0°N 0°-10°S 10°-20°S 20°-30°S 极 地 寒 带 0.05 8.87 10.36 2.24 0.32 1.07 0.61 -- 0.48 1.90 -- -- 泥 炭 土 0.97 3.89 4.93 0.01 -- -- -- -- 0.50 -- -- -- 森 林 沼 泽 0.07 -- 0.30 0.21 0.14 0.35 0.49 2.61 6.24 8.85 3.83 5.35 非 森 林 沼 泽 -- 0.25 0.52 0.93 0.23 0.37 0.40 7.88 6.88 2.56 8.76 4.78 -- -- -- -- -- 0.06 0.01 -- 0.92 2.03 0.75 1.28 30°-40°S 40°-50°S 温 带 0.10 -- -- -- 1) 采用 Matthews等（1987）的湿地面积和释放季节估计
0.57 0.03 0.46 -- 0.24 -- 冲积土 温 带 热 带
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