5.1.1 CH4的循环过程
5.1.1.1 CH4的源
CH4的自然源包括海洋、湖泊、自然湿地（含苔原）和野生动、植物等，人为源包括稻田、家养动物、垃圾填埋场、生物质燃烧和天然气泄漏等。很多研究者对全球大气CH4的研究结果表明，湿地（包括自然湿地和水稻田）是大气CH4最重要的生物源，约占全球CH4源的40%～50%（叶勇，1998）。湿地不仅因其巨大的源强而有特别的重要性，而且还具有特别的复杂性，由于湿地的全球分布、水浸润状况、土壤类型、营养盐输入方式、地形地貌以及植被条件等诸多方面的差异，导致全球湿地CH4源强估算具有较大的差异性。
5.1.1.2 湿地CH4的产生
湿地中的CH4是在严格厌氧条件下，有机物被微生物分解的最终产物。有机物中的碳水化合物、氨基酸和长链脂肪酸等，在非产甲烷菌的厌氧细菌作用下，分解为产甲烷菌的基质，如低分子量的挥发性脂肪酸、醇、其他简单有机物和H2/CO2，这些基质在产甲烷菌的作用下形成CH4，主要方式如下：
湿地产甲烷菌是一群具有相同生理特性而形态不同的细菌，现在将它们归纳为一个科，即甲烷菌科（Methanobacteriaceae）。产甲烷菌为严格厌氧细菌，需较强的还原条件（Eh≤-300m V）才能生长，湿地正是提供了这一环境条件，才使得其成为主要的CH4生物源。大多数研究报道，已分离的产甲烷菌大多为中温性，最适温度为30～40℃。然而，也有些产甲烷菌种类为嗜热性，这些种类多存在于温泉中。
大多数产甲烷菌适于在p H=7附近的狭窄范围内生长，耐受的p H范围为6～8，少数种类最适p H为8～10，为嗜碱性。迄今为止尚未分离到嗜酸性产甲烷菌。
仅有少数化合物能为产甲烷菌的生长提供碳源和能源，已知的产甲烷菌基质有H2/CO2、乙酸、甲酸和甲醇等。大多数产甲烷菌能通过CO2的氢还原作用而生长，另外一些种类还能以甲酸为基质生长。
5.1.1.3 湿地CH4的传输
湿地厌氧性土壤产生的CH4可从超饱和的底质逸散到湿地地表水或大气中。湿地CH4可通过三种途径进入大气：扩散传输、气泡传输和植物体传输。在不同湿地或同一湿地的不同时期，各种传输途径的重要性可能不同。
扩散传输：溶解态CH4可按浓度梯度通过湿地底质—大气、底质—水和水—大气界面扩散进入大气，也可从土壤或地表水的深层向表层扩散，还有水平方向的扩散。浓度梯度是CH4扩散传输的首要因素。上官行健等（1994）分析水稻田中土壤和地表水的CH4含量，结果表明，在耕作层随着深度增加，土壤中的CH4含量也增加，即在耕作层从深处至地表存在着CH4浓度梯度；水稻田地表水中的CH4浓度也是从底层到表层依次减小，而且水气界面和水土界面亦存在着CH4浓度梯度。底层CH4扩散传输的定量研究大多在海洋沉积物和淡水湖泊沉积物中进行。
气泡传输：当出现单一或混合气体超饱和现象或气体分压超过流体静压时就会产生气泡。一旦气泡形成，就会保持稳定，但当浮力足以使它们到达表层时，气泡就会变大（由于压强减小）而破灭，从而排放CH4。从初夏到秋季的温暖期，富含有机质的湿地底质中尤其可能出现这种分压的增加，于是在浅水湿地中，气泡传输有时成为总CH4通量的重要排放方式。意大利水稻田由气泡传输产生的CH4排放量为12～149mmol/（m2·s），而总CH4通量范围为99～496mmol/（m2·s），CH4的气泡传输为总传输量的2%～100%，其值随季节时间而异（Nouchi et al.，1994）。
植物体传输：湿地植物生长于厌氧的底质，但其具有发达的通气组织，为O2的下行传输提供了方便；与此相反的是根系“废气”的上行传输，这些废气中可能含有大量的CH4。许多研究表明，植物体传输是水稻田CH4传输的主要途径（Butterbach-Bahl et al.，1997；Nouchi，1994；Nouchi et al.，1993）。
5.1.1.4 CH4的汇及湿地CH4的氧化
大气中CH4的汇主要有两个：一个是CH4在大气中的氧化；另一个是干燥好氧性土壤的吸收。好氧性土壤中的甲烷氧化菌可降解CH4，全球好氧性土壤CH4消耗量约占全球CH4产生量的10%。
湿地产甲烷菌产生的CH4并不能全部排放到大气中，而是大部分被土壤中的甲烷氧化菌氧化。有研究表明，如果没有土壤表层的氧化，水稻田土壤排放的CH4将增加5～10倍，根周围的CH4也有30%被甲烷氧化菌氧化；泥炭地好氧性的表层范围越大，CH4氧化量就越大，CH4的氧化量控制着泥炭地向大气排放CH4的量。
湿地产生的CH4既可被好氧的甲烷氧化菌氧化，也可被厌氧甲烷氧化菌氧化。好氧甲烷氧化菌通常在同时有CH4和O2存在的区域较活跃，这一区域通常为好氧与厌氧环境的界面，多为湿地表层土壤。厌氧性甲烷氧化的研究多在淡水湖泊和海洋水体或沉积物中进行（Barklett et al.，1993；Bubier et al.，1995）。