植物叶片排放甲烷的初步研究

2021-12-08蔡锡安黄娟吴彤刘菊秀蒋芬王森浩

生态环境学报 2021年9期

蔡锡安，黄娟，吴彤，刘菊秀，蒋芬，王森浩

中国科学院华南植物园/中国科学院退化生态系统植被恢复与管理重点实验室，广东广州 510650

甲烷（CH4）是仅次于CO2的重要温室气体。过去普遍认为，CH4的唯一生物产生过程是在厌氧条件下，有机物经多种厌氧细菌作用生成小分子物质（HCOOH、CH3COOH、CO2、H2等）后，再被产甲烷菌利用并生成 CH4（Peters et al.，1996；Segers，1998；邓永翠等，2010）；因而坚信：植物不能产生CH4，CH4的最大生物来源是湿地、稻田、垃圾填埋场以及反刍动物消化系统等。然而，自2006年Keppler等首次证实有氧条件下植物能够释放 CH4后，植物排放 CH4的相关报道也越来越多（Crutzen et al.，2006；Sanhueza et al.，2006；Cao et al.，2008；Wang et al.，2016）。热带地区是植物最大的CH4源，约占全球陆地排放2/3（Keppler et al.，2006；Keppler et al.，2008；Vigano et al.，2008；Wang et al.，2008）。还有研究表明，植物亦吸收CH4，如云杉（Picea abies）、桦木（Betula pubescens）、花楸（Sorbus aucuparia）和欧洲赤松（Pinus sylvestris）等，其平均吸收速率达 0.7 μmol·m−2·h−1（Sundqvist et al.，2012）；森林冠层是大气CH4的重要的汇（Sundqvist et al.，2015）。另有一些植物则白天表现为源，晚上表现为汇（Zhang et al.，2014）。其他一些研究则显示，不同种类、不同生长条件下的植物排放或吸收 CH4的通量有很大差异，据此推测植物CH4的排放或吸收可能与生长环境和植物种类等因素相关（Cao et al.，2008；Wang et al.，2008；Covey et al.，2019）。目前研究植物CH4排放对象多数集中在植物的枝条或树干上（Jeffrey et al.，2019），对植物叶片CH4排放的研究少见报道。因此，在全球变暖的趋势下，大范围地开展热带陆地植物叶片实测研究，探讨植物CH4的源或汇的功能及其对大气CH4通量的贡献具有重要的科学意义。

目前植物叶片排放CH4气体样品的采样多数是借鉴其他气体的采样方法，如静态箱法、动态枝条密闭法等。便携式光合测定仪（如Li-6400等）具开放式气路系统，其气路具有精确的流量调控单元，通过适当的末端改装使其具备气体采集功能，则可同时开展光合测定和CH4等气体采集实验，为光合作用监测和气体的采集提供了更便捷的方案。为探讨离体枝条叶片采样排放气体的可能性，利用Li-6400光合仪采集植物叶片排放气体样品时，分析离体枝条与原体枝条叶片排放 CH4气体浓度的差异，验证离体枝条叶片CH4采样的可行性。另在鼎湖山自然保护区的海拔梯度实验平台，选择木荷（Schima superba）、鼠刺（Itea chinensis）、红车（Syzyglum hancei）和短序润楠（Machilus breviflora）等4种植物为研究对象，测定由海拔梯度引起的温度变化对其叶片释放CH4的影响；还测定了其他10种低海拔常见植物叶片的CH4排放速率，为研究植物的CH4源或汇功能提供证据，也为今后CH4排放清单研究提供原始数据积累。

1 材料和方法

1.1 试验区概况和供试植物

试验地点位于广东鼎湖山森林生态系统国家野外科学观测研究站（鼎湖山站）内。鼎湖山站位于112°30′39″—112°33′41″E，23°09′21″—23°11′30″N，属山地丘陵地貌，南亚热带季风湿润气候。年均温度为21.4 ℃，年平均降雨量为1927 mm。鼎湖山的土壤是由砂岩、砂页岩发育而成的赤红壤。本实验选择本区低海拔常见植物 10种，分别为尾叶桉（Eucalyptusurophylla）、马尾松（Pinus massoniana）、无忧树（Saraca dives）、垂叶榕（Ficus benjamina）、大叶冬青（Ilex latifolia）、桂花（Osmanthus fragrans）、树菠萝（Artocarpus heterophyllus）、含笑（Michelia figo）、假槟榔（Archontophoenix alexandrae）、海南菜豆树（Radermachera hainanensis）等。

另在鼎湖山自然保护区的海拔梯度实验平台，选择木荷（Schima superba）、鼠刺（Itea chinensis）、红车（Syzyglum hancei）和短序润楠（Machilus breviflora）等4种植物测定海拔对其释放CH4的影响。本平台建于2012年，根据海拔高度对气温等影响的原理而设置，具体是将海拔高度600 m的山地土壤移位到300 m和30 m区，并种植山地林的优势树种开展实验，根据测定，30 m处理组比300 m处理组气温高约 1.5 ℃，比 600 m处理组高约3.0 ℃（刘菊秀等，2013）。

1.2 试验方法

根据便携式光合仪的设计原理，其开放气式通路是通过气阀和分流器使气路中的 75%流量通过样品室，然后排放到大气中。通过对该仪器稍作改装，只在样品室气路末端加装三通阀，通过三通阀将气体接入CH4采样袋来收集CH4样气（如图1）。本方法可收集叶片排放的气体，且可调节气体流速。

图1 Li-6400光合仪采集植物叶片排放CH4的气路示意图Fig. 1 Passage of methane from plant leaf sampled by Li-6400 photosynthetic apparatus

实验于2018年9月—2019年9月进行。因植物的光合能力在09:00—11:00最强，其气孔活性也最大，因此，植物排放CH4的采样工作也在该时段进行。所有实验都选取植株冠层中上部向阳生长的枝条，在该枝条上选取健康、成熟的、距离顶端的第3、4叶片作为采样对象。气体采集的方法为光合仪的开路气路连接气袋方法收集（图1）。除无忧树和垂叶榕采用离体枝条采气外，其余植物种类的气体采集均采用原位法。

原位枝条叶片气体采集：按上述选取植株和叶片的方法选择叶片作为采样对象。叶室为自然光透明叶室，按照光合作用测定的流程和要求，将叶片置于叶室内，夹紧叶片，检查叶室的密封性。让叶片适应1—2 min，然后从探头的排气端连接气袋，打开阀门，进行采样。采样时间为 1 min，流速为375 mL·min−1。每个样品采集 3—5个重复样。

离体枝条叶片气体采集：原位气体采集完成后，把采集的叶片作标记，同时把叶片所在的枝条剪下（为了减少剪口伤害对叶片排放CH4的影响，剪口离叶片50 cm以上），立刻将剪口插入清水中，待水分平衡后，尽快以原位相同的方法完成标记叶片（离体法和原体法为同一叶片）的气体收集。离体枝条叶片的气体收集一般在离体 2 h内尽快完成（Wyka et al.，2012）。每个样品采集3—5个重复样。

在采集植物气体样品的同时，采集空气样品。采集样品完成后，气袋带回实验室采用气相色谱（Agilent 5890，Agilent Co. USA）连接火焰离子检测器（FID）测定CH4气体体积分数。气袋中的CH4通过2 m长、内径2 mm的60—80目13XMS色谱柱分离，分离条件为：柱温 55 ℃，载气为高纯氮气，流量为 30 mL·min−1。

CH4体积分数计算公式：

式中：

∆C——叶片释放 CH4的净体积分数（μL·L−1）；

Cleaf——收集到的叶片排放的CH4体积分数；

Cair——空气中CH4体积分数。当∆C为正值时，表明植物叶片释放CH4；当∆C为负值时，表明植物叶片吸收CH4。

利用叶面积仪测定植物叶片样品叶面积（m2），每片叶子测定3次，取均值。之后，将其置于烘箱中60 ℃下烘24 h至恒重，称量其干质量。计算采样叶面积的干质量（g），用于计算CH4的排放速率。

植物叶片CH4排放速率计算公式如下：

式中：

F——植物叶片的 CH4排放速率（μg·g−1·h−1）；

ρ——CH4气体密度（μg·μL−1）；

V——流速（L·h−1）；

∆C——叶片排放的CH4气体与空气CH4的体积分数之差（μL·L−1）；

m——植物叶片采样面积的干质量（g）。

1.3 数据分析

本研究中各指标的平均值和标准差均应用Excel 2013软件计算。原位植物叶片采样与离体枝条叶片采样2种方法的差异性比较，通过SPSS 13.0软件的配对样本t检验（Paired Sample Test）进行分析，如果2种方法的P>0.05，即认为2种采样方法的结果没有显著差异。在海拔梯度实验中，采用双因素方差分析法（two-way ANOVA）分析海拔与植物种类对甲烷排放的影响差异。应用Origin 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 原位枝条和离体枝条叶片采样CH4浓度比较

无忧树和垂叶榕的叶片排放CH4的原位气体采样体积分数分别为 (0.95±0.18)、(−0.39±0.11) μL·L−1；离体气体采样体积分数分别为 (0.95±0.11)、(−0.51±0.06) μL·L−1（如图2）；统计分析表明，这 2种采样方法对无忧树和垂叶榕排放CH4浓度均没有显著性影响（表1，P>0.05）。因此，在对高大乔木的叶片排放CH4气体开展研究时，离体气体采样是可代替的方法。

图2 原位与离体采样的无忧树、垂叶榕的CH4体积分数Fig. 2 Volume fraction of CH4 from Saraca dives and Ficus benjamina in situ and in vitro methods

表1 原位采样与离体采样的配对样本检验Table 1 Paired sample test for methane concentration from in situ sampling and in vitro sampling

2.2 植物叶片的CH4排放情况

从表2可知，树菠萝和海南菜豆树叶片CH4排放速率分别为 30.76—36.69、42.97—45.44 μg·g−1·h−1。垂叶榕则吸收 CH4，吸收速率为 39.85—120.36 μg·g−1·h−1；其他植物如大叶冬青、桂花、含笑、假槟榔、尾叶桉和马尾松等，则均有排放和吸收现象，具体原因有待进一步研究。

表2 植物叶片的CH4排放速率Table 2 Methane emission rate from plant leaves in southern China

2.3 海拔梯度对植物叶片排放CH4的影响

从图3可知，海拔对4种植物（木荷、短序润楠、红车和鼠刺）叶片释放CH4有较大影响。在海拔600 m处，木荷、短序润楠、红车和鼠刺植物排放 CH4体积分数分别为 (0.09±0.00)、(0.06±0.00)、(0.07±0.04) 和 (0.01±0.00) μL·L−1。在 300 m 处，分别为 (0.17±0.00)、 (0.28±0.06)、 (0.05±0.00) 和(0.11±0.05) μL·L−1。可见在海拔 600 m 和 300 m 处，4种植物叶片都排放CH4。在海拔30 m处4种植物排放CH4浓度有正亦有负，说明其叶片有排放和吸收CH4现象（表2，图3）。可见，海拔的降低（增温3.0 ℃）抑制了植物CH4的排放，并促进了CH4的吸收，植物叶片从CH4源向汇转变。

图3 海拔梯度对植物叶片排放的CH4的影响Fig. 3 Responses of methane emission from tree leaves to different altitudes

统计分析表明，海拔梯度变化对树种间的CH4释放没有显著影响（P>0.05），但海拔梯度对同种叶片CH4的排放有显著抑制作用（P<0.001），海拔与树种对叶片CH4排放有交互作用（表3，P<0.01）。

表3 海拔梯度和树种对叶片排放CH4影响的方差分析Table 3 Variance analysis of the effects on leaf methane emission from tree species and altitude

3 讨论

对于高大的乔木来说，测定其冠层叶片的光合并不容易，因此，有些研究者采用离体的方法进行测定（许大全，2002）。为了验证原位采样和离体采样对植物排放CH4的影响，开展了无忧树和垂叶榕的叶片排放CH4的原位气体采样和离体气体采样的比较研究，结果表明，这2种采样方法对无忧树和垂叶榕排放的CH4浓度均没有显著性影响（表2，P>0.05）。结合LIi-6400光合测定仪等仪器，采用离体方法收集植物叶片排放CH4气体具有操作方便、前期准备时间短、样品需求量小、重复性好等优点。因此，利用光合测定仪采集植物离体枝条叶片排放CH4的方法适合于野外采样操作，可推广应用。

植物在有氧条件下能释放CH4已被多个研究证实（Crutzen et al.，2006；Keppler et al.，2006；Sanhueza et al.，2006；Cao et al.，2008）。本研究结果也表明华南地区常见森林植物叶片能直接释放CH4。陆地植物排放CH4与植物种类和环境因子（海拔梯度、温度）密切相关（表2）。在海拔600 m和300 m环境中，植物显著排放CH4，然而在海拔30 m的环境中，植物表现为排放或吸收CH4的现象（表2，图3），即同一种植物在较低海拔处有时排放CH4，有时却吸收CH4，其源或汇的角色并不固定。说明海拔梯度对植物排放或吸收CH4有明显的影响，这可能与海拔梯度变化引起其他环境因子（温度、湿度和 UVB辐射等）的变化有关，具体原因有待进一步研究。

一般认为，植物产生CH4是对环境胁迫的一种防御策略。增温刺激植物释放CH4，其机理是高温促进植物细胞壁组分果胶和多聚半乳糖醛等排放CH4（Keppler et al.，2006，2008）。果胶是植物排放CH4的前体物质，Bruhn et al.（2009）检测到高温条件下（37 ℃和80 ℃）果胶的CH4排放。Vigano et al.（2008）则认为，高温会刺激植物材料或其组分（木质素和纤维素等）甚至非结构性组分（强氧化下的抗坏血酸）排放出大量的CH4。而本研究结果却表明，在海拔降低导致的自然增温（≤3.0 ℃）环境中，植物并不会增加叶片的CH4释放，相反，植物出现了CH4吸收现象。推测原因可能是，小幅度内的自然增温（自然增温≤3.0 ℃）并不会对植物的生长造成胁迫，因而不会增加叶片的CH4释放；相反，自然增温反而导致了叶片吸收CH4现象，详细的机理还需更进一步的探索。这个结果暗示，在未来的全球变暖情况下，植物可能是大气CH4的潜在汇，这对评估森林的碳汇功能和温室气体减排具有重要的意义。