互动科普

植物无辜

撰文  弗兰克·开普勒（Frank Keppler）

         托马斯·罗克曼（Thomas Rockmann）

翻译  闵庆文 张丹

作为科学家，当你发现某种事实与教科书存在着明显的矛盾时，你该怎么办呢？2005年，当我们在实验中发现生长的植被释放甲烷（methane）这一温室气体时，这个问题就摆在了我们面前。传统观点认为，只有在无氧条件下生长的微生物（厌氧菌，anaerobic bacteria）才能产生甲烷。但是我们的实验结果却出人意料：绿色植物也产生甲烷，且数量不小。

我们的第一反应，就是检查实验设计是否存在失误，排除任何可能使我们误入歧途的陷阱，但实验结果准确无误。我们马上就意识到，这可能是一项十分特殊的发现。接下来，我们开始思考这一研究结果可能带来的后果，并考虑如何将这一结果告知其他研究者。可以想象，试图说服我们的同行和公众，让他们认可一项连我们自己都很难接受的发现，将何等艰巨——我们不得不反复解释：过去几十年来，众多致力于甲烷研究，并苦苦思考气候变化的研究者，为什么会忽视如此重要的甲烷来源。

天然气

过去150年来，由于人类的频繁活动，大气中的甲烷浓度上升到了原来的3倍。传统观点认为，甲烷多半来自于湿地和反刍动物消化道，殊不知能够吸收二氧化碳的绿色植物也会释放甲烷。

大多数人都知道甲烷（通常以化学式CH4表示）是天然气。在油田、煤层和气田发现的甲烷，已经成为一种重要能源，而且由于地球石油储量有限，它在将来的地位必将更加重要。每年，大约有6亿吨甲烷通过人类活动和自然过程释放到大气中，以往人们普遍认为，这些甲烷主要是由于厌氧菌分解腐烂的非化石有机物而产生的。湿地（如沼泽、泥沼和水稻田）是甲烷的最大来源地，牛、羊和白蚁也因特殊的消化系统而产生甲烷，森林和稀树草原的大火，也像化石燃料的燃烧一样释放出甲烷（见第35页图）。多年来，科研人员已经对全球甲烷循环有了广泛了解，2001年，政府间气候变化专门委员会（IPCC）认为，我们已经大致确定了甲烷的主要来源（尽管仍不确定每种来源所占的比例）。

然而，一些观测资料仍然难以解释。例如，根据冰芯气泡重建的大气甲烷在冰期和暖期存在巨大波动，仍然是未解之谜。但在2001年，科学家还不会考虑到植物可以直接释放甲烷，因为没有人会怀疑除了厌氧菌外，其他生物过程也可能产生甲烷。

虽然二氧化碳的年排放量要大得多，但是就产生温室效应的能力而言，1千克甲烷是1千克二氧化碳的23倍。过去150年来，由于人类的活动，大气中的甲烷浓度已经翻了3倍。21世纪，甲烷浓度还会继续增加吗？甲烷的排放量可以削减吗？气候学家无法回避此类问题，而要回答这些问题，我们就必须了解甲烷的来源及去向。

令人震惊的发现

植物每年释放的甲烷量竟达6,000万～2.4亿吨，占全球甲烷年排放量的10%～40%！

研究植物释放甲烷的想法，来自于我们对氯甲烷（chloromethane）的研究。氯甲烷是一种对臭氧层有破坏作用的气体氯化物，人们认为它主要产生于海洋和森林火灾。若干年前，我们在英国北爱尔兰农业和粮食科学部工作时，就发现大气中的大部分氯甲烷是由衰老的植物产生的。由于甲烷和氯甲烷一样，是在生物质燃烧过程中释放出来的，所以我们就想知道正在生长的植物是否也会释放甲烷。

为此，我们从热带和温带地区收集了30种不同的树叶和草本植物，并放在维持热带地区大气氧含量的小型气候箱中。令人惊奇的是，所有类型的树叶和残枝均产生了甲烷。通常，1克重的干燥植物材料每小时释放0.2毫微克～3毫微克甲烷，数量之少，即使采用高度灵敏的先进设备，也难以检测出来。

除此之外，我们还遇到了更加艰巨的挑战，因为我们必须将植物组织（plant tissue）中产生的甲烷，从周围空气中原本就较高的甲烷含量背景中分离出来。我们相信，正是这一困难阻碍着生物学家发现此类现象。我们能获得新发现的秘密就在于：在每次开始实验之前，都用清除了甲烷的空气填充气候箱，以便消除空气中天然甲烷的干扰，这样我们就能测定植物组织释放的甲烷了。

由于意外的发现，我们的好奇心被激发了起来，进而对生长中的植物进行了类似实验。结果发现，甲烷的释放量激增到树叶等植物标本甲烷释放量的10～100倍（见第36页图）。经过一系列实验，我们排除了细菌在无氧条件下产生甲烷的可能性。最终的结果让我们确信，生长中的植物释放了大量甲烷。当时我们无法解释植物产生甲烷的机理，只是怀疑一种存在于植物细胞壁的胶质（pectin）参与了这一过程。我们决定对此作进一步研究（目前正在进行之中）。然而，考虑到甲烷在气候变化中的重要作用，我们认为着手研究植物向大气中释放甲烷的总量才是最为重要的。

那么，地球大气所含的所有甲烷之中，植物释放的甲烷可能占到多少呢？虽然一片叶子或一株植物的甲烷释放量很小，但由于大量植物覆盖着地球表面，因此它们释放的甲烷总量一定非常惊人。果然，我们被计算出来的结果吓了一跳：每年植物释放的甲烷量为6,000万～2.4亿吨，占全球年总排放量的10%～40%，其中2/3左右来自于植被丰富的热带地区。当然，仅从有限的实验数据对全球情况进行推断，难免存在误差。但无论如何，最终的数值仍然太大了——如果我们都对此感到震惊，那么对于我们的许多同行来说，这个数值可能就更加难以置信了。

幸运的是，支持我们研究结果的证据不久就意外出现了。德国海德堡的一批环境物理学家一直在利用卫星从太空观测地球大气。2005年，他们通过卫星观测到热带雨林上空出现了甲烷云层（见第37页图）。他们报告说，这一观测结果不能简单地用现有的全球甲烷来源加以解释。但根据我们的研究结果，他们的发现意义重大，因为绿色植物正是甲烷云层的来源。

1995年度诺贝尔化学奖得主保罗·J·克鲁琛（Paul J. Crutzen）及同事最近所作的研究，则进一步支持了我们的结果。在我们的研究于2006年1月发表以后，他们重新分析了1988年取自委内瑞拉稀树草原的空气样本，并得出结论：这些地区的植被释放的甲烷量为3,000万～6,000万吨。克鲁琛指出：“回顾1988年，我们本该有所发现，但是受到甲烷只产生于无氧条件这一传统观念的束缚，坐失良机。”

尽管这些证据支持了我们的研究工作，很多科学家仍然对植物释放甲烷持怀疑态度，尤其是质疑我们对植物释放甲烷数量的估计。因此，我们的一些同事正在采用不同的方法，对植物甲烷释放量进行重新计算。当然，我们迫切需要独立的证据来支持我们的实验发现。

破解由来已久的谜团

甲烷的释放量与全球温度的变化成正比。温度越高，就越能促进地表植被的生长，释放出更多甲烷，连同从湿地和可能从海底释放的甲烷，一起成为气候变化的驱动力。

我们的发现可能解释了困扰气候学家多年的难题：甲烷水平的波动与全球温度的变化同步进行。冰芯是一种天然档案库，其中存储的大气成分和气候变化的信息非常久远，几乎可以追溯到100万年前。禁锢于冰芯中的小气泡，揭示了过去大气中气体成分的相对浓度（见第36页图）。例如，通过冰芯我们看到，过去二氧化碳浓度的变化与全球温度的变化密切相关。二氧化碳浓度在冰期较低，而在暖期则升高。

一般而言，甲烷浓度与二氧化碳浓度的变化趋势相同，但原因尚不清楚。科学家们一直努力利用湿地（以前被认为是甲烷的唯一的自然来源）模型，来重构过去甲烷水平的神秘变化趋势。然而他们发现，通过这种方法很难再现文献记载的冰期和间冰期大气甲烷浓度的差异。

有人提出了另外一种解释，认为这种气体可以以甲烷水合物（又被称为可燃冰）的形式存在。这些类似于冰块的水合物形成于高压环境之下，如海洋底部。在海洋沉积物中，或许以这种方式储藏着数量巨大的甲烷。人们曾经认为，远古时期全球迅速变暖的一个原因，可能就是大量甲烷突然从这些沉积物中释放到大气中。但最近对极地冰芯的研究表明，海洋甲烷水合物至少在过去4万年间是稳定的，说明在最近的冰川周期之间大气甲烷的剧增，与这些甲烷水合物无关。

我们知道，陆地植被对环境变化非常敏感，地球上的植被总量随着冰川周期中气候的变化而变化。根据我们的研究结果，植被变化能导致甲烷水平在冰期下降，在间冰期升高。在末次冰期最盛期（大约2.1万年前），亚马孙森林中的植物生长规模仅为现在的一半，因此热带植被释放的甲烷量可能要少得多。从那时起，全球地表温度和二氧化碳浓度一直在升高，促进了植物的生长，按照我们的观点，这一过程也让植被释放出越来越多的甲烷。

类似的气候变化情景，还可能出现在地球的其他地质历史时期，特别是生物大灭绝事件发生的时期。比如2.5亿年以前的二叠纪/三叠纪更替时期，以及2亿年以前的三叠纪/侏罗纪更替时期，大气中二氧化碳浓度极高，温度也不断升高，可能促进了植被生物量的激增。这种全球变暖时期，可能伴随着植被甲烷的大量释放，促使气候进一步变暖。虽然只是推测，我们仍有理由假设：那时的甲烷排放量可能是目前的10倍。如果确实如此，那么植被排放的甲烷，连同从湿地以及可能从海底释放的甲烷，就会成为驱动历史气候变化的一股不容忽视的力量。

媒体的误解

不幸的是，媒体对植被甲烷释放量的报道夸大其词，引起公众担忧。实际上，大气甲烷浓度升高的罪魁祸首，还是大规模使用化石燃料等人类活动。

就在我们的研究结果公布的当天，BBC立即加以报道，而且这条新闻的播发顺序紧随在禽流感（bird flu）和伊拉克局势之后。我们立刻意识到了这项研究的重大社会意义。第二天，当全世界的报纸都在头版头条报道我们的研究结果时，这种感觉就更加强烈了。

不幸的是，媒体的报道大多夸大其词，许多报道都声称植物应对全球变暖负责，这可能导致了人们错误理解我们的研究结果。比如，我们在一家大名鼎鼎的报纸上看到，它的头版标题竟是《全球变暖——森林难辞其咎》。

后来，我们收到了许多电子邮件和电话，询问是否应当夷平自己花园中的树木，以缓解全球变暖。我们意识到，与公众的沟通出现了严重错误，不得不另发一篇新闻稿来消除这些误解。

在第二篇新闻稿中，我们强调，如果我们的研究结果是正确的，那么数亿年以来植物一直在向大气释放甲烷。这种释放过程促进了自然的温室效应，据我们所知，没有这种效应，生命就无从谈起。然而，植物不应对工业化开始以来甲烷浓度的激增负责，这种激增是人类活动的恶果。

我们的发现还引发了这样一种担忧：植物排放甲烷可能会削弱、甚至超过重新造林项目的碳存储效果。在《京都议定书》（Kyoto Protocol）中，植树造林被视为一种各国可以采用的二氧化碳减排策略。如果上述担忧成为现实，执行《京都议定书》的国家在这方面作出的努力将毫无意义。但是我们的计算表明，通过造林来吸收二氧化碳给气候带来的好处，将远远大于向大气释放甲烷而造成的相对较小的负效应，这种负效应最多使树木的碳吸收量减少4%。因此，造林对减缓全球变暖的正面作用是毋庸置疑的。

在这场激烈的辩论中，人们忘记了一个至关重要的事实：植物是我们这个星球的绿色肺叶——它们为我们的生存提供了必需的氧气，同时还发挥了其他一些有益的功能。这里仅举两个重要例子：植物提供了维持生物多样性的自然环境，还控制着热带地区的水分循环。显然，问题并非出自于植物，而出自于全球大规模的化石燃料燃烧。

更合乎情理的担忧应该是：植被产生的甲烷会不会对近期的气候产生影响。尽管不能把工业化以来大气甲烷的激增归咎于植物，但在温暖的气候条件下，植物确实生长得更快。我们预测，植被排放的甲烷随着温度的升高而增加，因此这可能会进一步加剧气候变暖。这种恶性循环可能是一种自然现象，只是由于燃烧化石燃料之类的人类活动加快了它的速度。植物对全球气候变化的这种巨大反馈作用，过去很可能发生过，但今天却不太可能发生了，因为大量森林已经被砍伐。

我们的发现究竟对更遥远的未来气候变化会产生何种影响，现在要确定这一点还为时尚早，但毋庸置疑的是，现在所有的新评估都必须考虑植物甲烷的排放。