甲烷的来源

大气甲烷来源根据人类是否直接参与分为自然来源和人为来源。近20年来，在大多数甲烷源和汇的估算和预测的相关研究中(Michael，1990；Wuebbles，2002)和第二、三次IPCC(2003)全球气候变化温室气体评估报告，认为甲烷的天然来源主要包括湿地、白蚁、野生反刍动物、海洋和水合物，地质甲烷的天然来源仅包括甲烷水合物，仅占全球大气甲烷来源的极小一部分。然而，2007年，IPCC第四次全球气候变化温室气体评估报告确认地质甲烷的天然来源是仅次于湿地的第二大甲烷天然来源(Denman et al .，2007)。天然甲烷占总来源的30% ~ 50%(表1.1)。甲烷的人为来源包括反刍动物肠道发酵、动物和人类粪便、稻田、生物质燃烧、垃圾填埋场和化石燃料，如天然气、煤和石油。人为来源占总来源的50% ~ 70%(表1.1)。根据甲烷的形成机理，其来源可分为生物来源和非生物来源。大气甲烷的主要来源是厌氧环境的生物过程，所有具有厌氧环境的生态系统都是大气甲烷的来源，即生物源，产生的甲烷气体占大气甲烷总量的70% ~ 80%(Quay et al .，1991；Jean et al .，2001)，非生物过程产生甲烷的来源称为非生物来源，主要包括化石燃料生产和使用过程中的泄漏。

表1.1全球甲烷收支估算值与TAR采用值的比较

(根据Houghtonet等人，2001)

TAR(IPCC，第三次评估报告)预算基于CH4浓度65，438+0.745 μ l/L，寿命8.4年，不平衡8ml/L a；废物处理包括反刍动物；稻田包括湿地；包括淡水。

(1)生物甲烷源

在淹水的土壤、垃圾填埋场、饲养的反刍动物如牛、羊和野生反刍动物如野牛、白蚁甚至人的消化系统中，由于有机物在细菌的作用下分解或还原而释放出生物源甲烷。已经证明，甲烷的产生与温度密切相关，最大甲烷产量在37 ~ 45℃ (Boone，2000)。在淹水土壤中，如湿地或稻田，温度是影响甲烷释放的重要因素。甲烷的释放与气候变化正相关。随着大气温度的升高，生物源甲烷释放增加，大气甲烷浓度增加，导致气候变暖。

湿地是大气甲烷的最大天然来源，约占整个天然来源的72%(Khalil，2000)，全球湿地面积高达5.3 ~ 5.7×109 m2(Anclumnn et al .，1989)。影响其甲烷释放的环境因素有很多，包括土壤的特性，如有机碳和养分的有效性(Miller et al .，1999；Smith等人，2000)，植物和植被类型(King等人，1998)，最重要的是地下水深度和土壤温度。大量研究表明，湿地甲烷排放对季节性和年地下水埋深和温度非常敏感(金，1997；Moosavi等人，1997，1998；中野等人，2000；沃西等人，2000年；马修斯，2000年).这种敏感性对确定湿地未来的甲烷起着非常重要的作用，因为随着全球气候的变化，区域的温度和降雨量也会发生变化。如果只是温度升高，甲烷排放会增加，尤其是在高纬度地区(Caoet al .，1996 a；；沃西等人，2000年).然而，土壤湿度和地下水深度使预测未来湿地甲烷释放变得复杂，全球气候变化对区域水文循环的影响具有高度不确定性。未来土壤水分的变化可能导致当前湿地面积和甲烷释放量的增加或减少(Moosavi et al .，1997)。

全球稻田种植面积约1500×109m2，是大气甲烷的主要人为来源(朱梅，1996)。稻田甲烷排放取决于甲烷生成、甲烷氧化和甲烷向大气输送三个过程(王明星，1991)。稻田甲烷排放受耕作过程中的条件和耕作方法的影响，如气候、温度、土壤特性、耕作方法包括水管理、施肥、其他添加剂和水稻品种(上官行健等，1993，1994；曹等，1995，1996 b；哈利勒等，1998，华能85研究总结报告-03-07，1998)。稻田的甲烷排放量还取决于每年种植的水稻数量和耕种面积。研究表明，采用稻田间歇排水、添加氧化剂或其他矿物肥料以及低甲烷含量的栽培材料等耕作方式，可分别减少甲烷排放约40% ~ 55%、20% ~ 70%和60%以上(EPA，1993a，1993 b；；秦煌等人，1996；Neue等人，1997；米特拉等人，1999).与无机肥料相比，使用有机肥可增加甲烷排放50%以上，而不施肥的稻田甲烷排放最低(上官行健等，1993；陈德彰，1993a，1993 b；；八木等人，1997)。在淹水土壤中，如湿地或稻田，温度是影响甲烷释放的重要因素。甲烷的释放与气候变化正相关。随着大气温度的升高，生物源甲烷释放增加，大气甲烷浓度增加，导致气候变暖。

牛、绵羊、野牛、山羊和其他家禽等反刍动物释放的甲烷受到它们所吃的饲料的影响(Johnsonet al .，2000；环保局，1993a，1993b).反刍动物释放甲烷是不完全消化的结果。一般优质饲料容易让动物完全消化，促进蛋白质的吸收，从而减少甲烷的释放。在发展中国家，提高饲料质量尤为重要。如果这些国家的牛的饲料质量得到改善，每生产1kg牛奶，甲烷排放量可以减少到75%(Ward et al .，1993)。这种方法已经在一些地区引入，不仅提高了牛的消化能力，还减少了40%的甲烷释放量(EPA，1993a，1993b)。动物粪便是甲烷的另一个来源。如果动物粪便被留在地里，它很快就会干涸，所以它释放的甲烷会被最小化。但如果将这些粪便堆积保存，释放的甲烷会增加十倍(Bogner等人，1995)。

垃圾填埋场和污水处理池提供厌氧环境，降解生物废物并产生甲烷。世界固体废物年排放量约为8 ~ 10gt(1gt = 109g)，仅美国每年产生的固体废物就达3Gt，中国为0.3~0.5Gt(孟凡平，1996；余国泰，1997)。来自填埋场的甲烷排放受许多环境因素的影响，包括排放场所的温度、土壤湿度、pH值、填埋场中的甲烷浓度、有机物的组成和数量、填埋时间的长度和表面覆盖的厚度(Bogner等人，1993；孟凡平，1996)。在垃圾填埋场、污水池和粪池中，可以通过捕集、燃烧或使用甲烷作为能源来减少甲烷的释放。这些方法可以减少多达90%的甲烷排放(Bogner等人，1995)。

生物质燃烧产生大量污染物，燃烧完全时主要是二氧化碳；但当燃烧不完全或阴燃时，会产生大量甲烷等含量较高的烃类有机物。生物质燃烧释放的甲烷量取决于燃烧阶段、生物质的碳含量和燃烧的生物质量(Levine等人，2000年)。

(2)非生物甲烷源

甲烷化石燃料包括煤炭开采和加工，以及天然气开采、生产、运输和分配。源强度可以通过直接或间接的方法来估计。直接法类似于其他来源的研究，即通过排放因子测量与控制因子研究相结合，结合统计学，估算出化石燃料甲烷的排放量为80 TG/a。间接法是利用14C同位素的加速质谱方法确定甲烷源强度的相对大小，得出大气中不含14C的甲烷(死碳源)占大气甲烷源总量的20% ~ 30%，相当于100 50Tg/a，明显高于统计数据估算的甲烷源强度。可以看出，还有一些重要的未知死碳源(克鲁岑，1991；Lacroix，1993)，如地质原因甲烷排放，包括人为因素造成的化石源甲烷排放和地质原因自然源甲烷排放。详见下文第3章。