湿地微生物介导的甲烷排放机制

湿地生态系统是陆地上巨大的有机碳库,同时也是大气中甲烷(CH_4)的主要排放源。由于CH_4对全球的增温潜能是CO2的34倍,因此关于湿地CH_4排放在全球气候变化中有关碳汇、碳源的研究具有极其重要的意义。全球80%–90%的CH_4排放离不开微生物活动,湿地生态系统中产CH_4菌和CH_4氧化菌的种类组成、数量及功能与CH_4通量密切相关,但基于湿地生态系统中介导CH_4循环的功能微生物对甲烷排放通量的影响及作用机制研究相对比较分散。为更好地认识微生物介导的CH_4排放过程的微生物调控机制,本文综述了湿地生态系统中参与CH_4循环的功能微生物,对介导CH_4循环相关微生物活性的影响因子进行了回顾,重点总结了湿地生态系统微生物介导的CH_4排放机制,并对未来的相关研究方向进行了展望。由于湿地微生物介导的碳循环过程也可能决定了湿地生态系统对全球气候变暖的反馈,因此本文也能为全球气候变化研究提供微生物方面的参考。     

基于过程模型的青藏高原湿地甲烷排放格局评估

甲烷(CH_4)是大气中最丰富的碳氢化合物,是仅次于二氧化碳(CO_2)的温室气体。湿地是甲烷的重要来源,在全球碳循环中发挥着重要作用,其排放的甲烷占所有天然甲烷排放源的70%,占全球甲烷排放总量的24.8%。青藏高原平均海拔4000 m以上,占有中国约三分之一的湿地。近几十年来,由于全球气候变暖和降水增加,该地区甲烷排放率和湿地面积都发生着巨大变化,因此,青藏高原湿地CH_4排放的长期变化在很大程度上仍存在较大的不确定性。利用TRIPLEX-GHG模型模拟了青藏高原湿地1978—2008年CH_4排放的动态特征,研究结果表明:(1)1978—2008年青藏高原湿地CH_4排放速率呈逐渐增加趋势。(2)青藏高原大多数湿地区域CH_4排放速率为0—6.13 g CH_4 m~(-2 )a~(-1);东北部分湿地区域CH_4排放速率为6.14—20.19 g CH_4 m~(-2 )a~(-1);较高的CH_4排放速率分布于青藏高原南部湿地区域,为56.14—74.97 g CH_4 m~(-2 )a~(-1)。(3)青藏高原湿地CH_4排放量在1978、1990、2000年和2008年分别为0.21、0.23、0.27和0.32 Tg CH_4 a~(-1)。在1978—1990年,尽管CH_4排放速率增加,但湿地面积减少,因此这一时期青藏高原湿地CH_4排放量并未发生明显变化。随后由于降水增加和冰川融化,使得湿地面积逐渐增加,青藏高原湿地CH_4排放量也呈现增加趋势。     

若尔盖高原湿地甲烷排放的时空异质性

集中于北美落基山高山湿地甲烷排放的零星报道远不能解析全球高山湿地甲烷源强. 因此,世界范围内其他区域高山湿地甲烷排放的研究对于合理估计全球高山湿地甲烷源强,意义重大.采用静态箱-气相色谱法,基于3种典型湿地类型的甲烷排放数据,认为若尔盖高原湿地生长季甲烷的平均排放量为4.69 mg CH4 m-2 h-1.同时根据2a数据,初步分析了甲烷通量及其对环境因素和生物因素的响应特征,结果表明:(1)甲烷排放昼夜变化具有双峰模式 (主峰出现在15:00,次峰出现在06:00),可由土壤温度以及植物气孔开启来解释.(2)若尔盖湿地甲烷排放季节动态较为典型,即在7月份或8月份出现排放高峰,冬季甲烷排放较少.生长季,对3类群落类型,表面温度与甲烷排放显著相关 (r2=0.55,P<0.05,n=30),地表水位和植物群落高度与甲烷排放相关性更为显著 (r2=0.32,0.61,P<0.01,n=30).分析认为该季节节律是由温度以及植物生长状况直接影响的,而水位则是使该节律发生波动的原因(高原气候).(3)群落尺度下,物候学上相当重要的两个时期,甲烷排放通量均有较高的空间变异 (植物生长高峰变异系数为38%,积雪融化高峰为61%).通过逐步回归线性分析,发现植物生长高峰期,地表水位和群落高度是影响甲烷排放空间差异的主要因素 (r2= 0.43,0.59,P<0.01,n=30).(4)景观尺度下,生长季,景观尺度下甲烷排放有较大的空间变异,湖滨湿地甲烷平排放量最高为11.95 mg CH4 m-2h-1,其次为宽谷湿地,其排放量为2 12 mg CH4 m-2h-1,河岸湿地表现为甲烷吸收,其吸收量为0.007 mg CH4 m-2h-1.地表水位、植物地上生物量以及植物高度能够很好地解释甲烷排放的景观差异.     

闽江河口潮汐湿地二氧化碳和甲烷排放化学计量比

为了阐明河口潮汐湿地碳源温室气体排放的化学计量比特征,对闽江河口潮汐湿地二氧化碳和甲烷排放进行了测定与分析。结果表明:芦苇湿地和短叶茳芏湿地二氧化碳与甲烷排放均呈现正相关;涨潮前、涨落潮过程和落潮后芦苇湿地和短叶茳芏湿地CO2∶CH4月平均值分别为55.4和185.0,96.3和305.5,68.7和648.6,3个过程芦苇湿地和短叶茳芏湿地CO2∶CH4差异均不显著(P>0.05),2种植物湿地CO2∶CH4对潮汐的响应并不一致,但均在涨潮前表现为最低;涨潮前、涨落潮过程和落潮后均表现为芦苇湿地CO2∶CH4低于短叶茳芏湿地(P<0.05);河口潮汐湿地CO2∶CH4为空间变异性>时间变异性,潮汐、植物和温度均对CO2∶CH4的变化具有一定的调节作用。     

美国俄亥俄州人工河滨湿地甲烷排放

2008年11月-2009年10月,在美国俄亥俄州哥伦布市Olentangy河河滨湿地,运用静态箱·气相色谱法对比研究了不同水文模式和植被生长状况下2种植被类型(人工植被和自然植被)淡水河滨恢复湿地甲烷(CH4)排放的时空规律,探讨了湿地土壤温度、水文条件、植被和土壤碳含量等因子对CH4排放的影响.结果表明,人工植被和自然植被湿地CH4排放通量均有明显的季节变化规律,但自然植被的淡水湿地CH4排放量仍明显高于人工植被湿地的排放量,其年排放量分别为68和114gCH4-C· m-2·a-1(P＜0.05),这是由于自然植被湿地相对于人工植被湿地有着更高的累积生产力.在2个实验湿地中,淹没深水区比干湿交替区有更高的CH4排放量,CH4排放通量的中值(平均值)分别为4.7(59.9)和0.09( 1.17)mg·m-2·h-1(P＜0.01),波动的水文相对于静止水文条件可减少CH4排放量.并且,实验湿地CH4排放通量与土壤温度和土壤有机碳含量有一定的相关性.因此,可通过对湿地进行适当的植物配置和水文条件等设计和管理措施有效地减少CH4排放.     

湿地反硝化型甲烷厌氧氧化研究进展

甲烷是最重要的温室气体之一,其单分子温室效应是CO2的298倍。湿地是甲烷重要的排放源,也是氮素的源和汇。微生物参与湿地碳、氮转化的生物地球化学循环过程,湿地CH4是土壤淹水条件下微生物厌氧降解有机质而产生,微生物又可以通过反硝化型甲烷厌氧氧化过程(DAMO)降低湿地甲烷的排放,对缓解全球温室效应具有重要作用。本文系统介绍了DAMO过程机理、功能微生物Methylomirabilis oxyfera菌群特性、分布以及土壤DAMO过程的检测方法和DAMO过程的影响因素,并对未来更多的湿地DAMO微生物的发现,尤其是对稻田湿地DAMO过程的相关研究提出展望,以期推动该领域更深入的研究,为稻田湿地甲烷排放量的估算及制定合理的减排措施提供科学依据。     

微生物驱动的滨海湿地N2O产生及其机制研究进展

滨海湿地位于海陆交界,具有初级生产力高、生物多样性丰富以及微生物驱动的营养元素循环活跃等特点,同时也是大气中一氧化二氮(N_2O)的重要排放源。N_2O是仅次于二氧化碳(CO2)和甲烷(CH4)的第三大温室气体,而全球90%以上的N_2O排放由微生物主导,并与滨海湿地氮循环的微生物群落多样性及功能密切相关。因此,滨海湿地系统中N_2O的产生与转化逐渐受到关注。本文综述了滨海湿地生态系统中微生物驱动下N_2O的产生过程,以及氮元素及其与碳、硫和金属元素耦合过程中产生N_2O的代谢途径,N_2O排放的时空变化与微生物调控,并对未来相关研究方向进行了展望,旨在揭示微生物驱动的N_2O产生及环境调控机制,为减缓全球变暖提供科学依据。     

洞庭湖白沙洲4种植被系统与大气中碳素交换

近年来由于气候变化,极端天气现象及其相应的自然灾害的频繁发生,致使人类面临严峻的挑战,全球环境问题已备受瞩目。湿地碳循环在全球气候变化中具有不可忽视的作用,研究湿地系统与大气中碳素的交换,有助于深入了解湿地生态系统对大气环境的影响。在生物量和土壤温室气体排放测定的基础上,对洞庭湖白沙洲湿地4种主要植被系统与大气碳素交换进行研究,结果表明:杨树人工林、芦苇和苔草3种植被系统净生产力吸收大气中碳量分别为9.88、6.83.thm-.2a-1和4.07.thm-.2a-1,土壤排放碳量(包括CH4中的碳素)分别为3.08、2.79.thm-.2a-1和2.80t.hm-.2a-1,3种植被系统每年净吸收大气中的碳6.80、4.07t.hm-.2a-1和1.27t.hm-.2a-1,都是大气CO2的汇;黑藻与竹叶眼子菜混交群落净生产力吸收大气碳1.23.thm-.2a-1,土壤排放的碳1.32t.hm-.2a-1,该系统每年向大气净排放0.09t.hm-.2a-1,是一个弱的CO2排放源;将CH4温室效应是CO2的21倍折算成CO2量,杨树林土壤排放CO2量(包括CH4折算成CO2量)为16.19t.hm-.2a-1,比植被净生产力吸收的少16.64t.hm-.2a-1,对大气温室效应而言,该系统是温室气体的汇;芦苇、苔草以及黑藻与竹叶眼子菜混交群落土壤排放CO2量(包括CH4折算成CO2量)分别是43.68、39.19t.hm-.2a-1和32.22t.hm-.2a-1,比植被净生产力吸收的还多20.60、24.27.thm-.2a-1和27.71.thm-.2a-1,对大气温室效应而言,这3种湿地植被系统都是温室气体排放源。     

湿地碳排放及其影响因素

湿地生态系统在全球碳循环中起着重要作用.湿地独特的土壤、水文和植被条件,使得其在低氧环境下能不断累积碳,并同时释放大量温室气体——CH4和CO2,因此湿地的碳排放近年来成为全球气候变化研究关注的重点问题.湿地的土壤状况、水文条件及植被类型的不同导致湿地CH4和CO2的排放具有极强的时空变异性.土壤温度与CH4和CO2排放呈正相关关系;水位条件对湿地温室气体的排放有一定影响,在一定范围内,土壤的厌氧环境导致CH4排放量增大,CO2排放量减小;植被影响到温室气体产生、氧化和排放各个方面,因物种而异.     

芦苇湿地温室气体甲烷(CH4)排放研究

用封闭式箱法对辽河三洲芦苇湿地温室气候CH4的观测结果表明,其排放有明显的季节规律。淹水前、土壤为CH4汇。淹水期间,有大量的CH4排放。排水后CH4排放明显减少。在测定期内,CH4排放通量为－968－2734μgCH4l/(m^2.h)。另外,土壤中中产生的CH4主要是通过芦苇植株的传输作用进入到大气中,试验结果还表明,有芦苇生长的湿地CH4排放是无芦苇生长的15倍,同时,建议芦苇田应采用间歇灌溉的水分管理措施,这样既促进植株生长,又能减少CH4排放。     

多年冻土退化对湿地甲烷排放的影响研究进展

全球气候变暖导致北半球大部分多年冻土区的冻土已经开始退化。多年冻土退化对冻土区湿地CH₄排放产生重要影响,可能直接决定冻土区湿地对全球气候变暖的反馈方式。综述了近年来多年冻土退化对湿地CH₄排放影响的研究。多年冻土退化导致的土壤活动层深度增加和植被类型由中生向湿生的转变都可能会大大增加冻土区湿地CH₄排放量,从而可能对全球气候变暖产生正反馈作用。但多年冻土退化导致的水文条件变化、土壤温度变化和微生物组成及活性变化对湿地CH₄排放的影响却存在一定的不确定性。多年冻土退化除了影响湿地CH₄排放量之外,还可能通过改变土壤冻融过程而影响湿地CH₄排放的季节分配模式。最后提出目前研究中存在的问题,并对未来研究方向进行了展望。     

Methane emissions from tropical freshwater wetlands located in different climatic zones of Costa Rica

Wetlands are the largest natural source of the greenhouse gas methane to the atmosphere. Despite the fact that a large percentage of wetlands occur in tropical latitudes, methane emissions from natural tropical wetlands have not been extensively studied. The objective this research was to compare methane emissions from three natural tropical wetlands located in different climatic and ecological areas of Costa Rica. Each wetland was within a distinct ecosystem: (1) a humid flow‐through wetland slough with high mean annual temperatures (25.9 °C) and precipitation (3700 mm yr^?1); (2) a stagnant rainforest wetland with high mean annual temperatures (24.9 °C) and precipitation (4400 mm yr^?1); or (3) a seasonally wet riverine wetland with very high mean annual temperatures (28.2 °C) and lower mean annual precipitation (1800 mm yr^?1). Methane emission rates were measured from sequential gas samples using nonsteady state plastic chambers during six sampling periods over a 29‐month period from 2006 to 2009. Methane emissions were higher than most rates previously reported for tropical wetlands with means (medians) of 91 (52), 601 (79), and 719 (257) mg CH₄‐C m^?2 day^?1 for the three sites, with highest rates seen at the seasonally flooded wetland site. Methane emissions were statistically higher at the seasonally wet site than at the humid sites (P<0.001). Highest methane emissions occurred when surface water levels were between 30 and 50 cm. The interaction of soil temperature, water depth, and seasonal flooding most likely affected methanogenesis in these tropical sites. We estimate that Costa Rican wetlands produce about 0.80 Tg yr^?1 of methane, or approximately 0.6% of global tropical wetland emissions. Elevated methane emissions at the seasonally wet/warmer wetland site suggest that some current humid tropical freshwater wetlands of Central America could emit more methane if temperatures increase and precipitation becomes more seasonal with climate change.     

Abundant carbon substrates drive extremely high sulfate reduction rates and methane fluxes in Prairie Pothole Wetlands

Inland waters are increasingly recognized as critical sites of methane emissions to the atmosphere, but the biogeochemical reactions driving such fluxes are less well understood. The Prairie Pothole Region (PPR) of North America is one of the largest wetland complexes in the world, containing millions of small, shallow wetlands. The sediment pore waters of PPR wetlands contain some of the highest concentrations of dissolved organic carbon (DOC) and sulfur species ever recorded in terrestrial aquatic environments. Using a suite of geochemical and microbiological analyses, we measured the impact of sedimentary carbon and sulfur transformations in these wetlands on methane fluxes to the atmosphere. This research represents the first study of coupled geochemistry and microbiology within the PPR and demonstrates how the conversion of abundant labile DOC pools into methane results in some of the highest fluxes of this greenhouse gas to the atmosphere ever reported. Abundant DOC and sulfate additionally supported some of the highest sulfate reduction rates ever measured in terrestrial aquatic environments, which we infer to account for a large fraction of carbon mineralization in this system. Methane accumulations in zones of active sulfate reduction may be due to either the transport of free methane gas from deeper locations or the co‐occurrence of methanogenesis and sulfate reduction. If both respiratory processes are concurrent, any competitive inhibition of methanogenesis by sulfate‐reducing bacteria may be lessened by the presence of large labile DOC pools that yield noncompetitive substrates such as methanol. Our results reveal some of the underlying mechanisms that make PPR wetlands biogeochemical hotspots, which ultimately leads to their critical, but poorly recognized role in regional greenhouse gas emissions.     

鄱阳湖苔草湿地甲烷释放特征

2009年5月-2010年4月在鄱阳湖南矶湿地国家级自然保护区选择以灰化苔草为建群种的洲滩,设置土壤-植物系统(TC)、剪除植物地上部分 (TJ)2个试验处理,利用密闭箱-气相色谱法测定了鄱阳湖典型苔草湿地的甲烷(CH₄)释放通量。结果表明:1)TC、TJ 2个试验处理CH₄释放速率变化范围分别为-0.094-17.75 mg · m^-2 · h^-1、-0.122-19.16 mg · m^-2 · h^-1,均表现出明显的季节变化规律;2)地表未淹水期间,剪草处理CH₄释放显著高于非剪草处理(t=2.69, P<0.05);地表淹水达到15 cm后,剪草处理CH₄释放明显低于非剪草处理。3)土壤5 cm温度、土壤水分与2处理非淹水期间CH₄释放速率均呈显著正相关,是非淹水期间CH₄通量变化的主要控制因子,2因子能够共同解释非淹水期苔草湿地65%-74%的CH₄通量变异;4)试验期间,苔草湿地CH₄释放量约为12.77 gC/m²,相当于同期土壤有机质分解碳排放量的4%,甲烷释放的碳消耗不足苔草湿地年NPP的1%。     

扎龙芦苇湿地生长季的甲烷排放通量

为研究高寒地区天然淡水芦苇湿地的甲烷排放特征,采用静态箱-气相色谱法,测定了扎龙不同水位芦苇湿地生长季的甲烷排放通量.结果表明:观测期内,扎龙芦苇湿地甲烷排放通量平均为7.67 mg·m^-2·h^-1（-21.18～46.15 mg·m^-2·h^-1）,其中深水区(平均水深100 cm)和浅水区(平均水深25 cm)的平均甲烷排放通量分别为5.81和9.52 mg·m^-2·h^-1,排放峰值分别出现在8月和7月,最低值均出现在10月.深水区夏季(6-7月)的甲烷排放通量显著低于浅水区,而春(5月)、秋(8-10月)季节显著高于浅水区.生长季甲烷排放通量的变化为夏季>秋季>春季;昼夜排放量为12:00和14:00最高,0:00最低.温度和水位是高寒地区淡水芦苇湿地甲烷排放通量变化的主要影响因子.     

An ecological perspective on methane emissions from northern wetlands

Wetlands are significant sources of atmospheric methane, an important radiatively active ‘greenhouse’ gas that accounts for an estimated 12% of total greenhouse warming. Since global climate models predict the greatest temperature and precipitation changes at high latitudes, and as the largest areas of wetland (346 × 10⁶ha) are in the boreal and subarctic regions (40–70°N), recent research has focused on Identifying the factors that control methane emission from northern wetlands. Over the past few years, the database has expanded tremendously, and much progress has been made in understanding the environmental controls on methane emission at small spatial and temporal scales. However, we now need to broaden our understanding of regional differences in methane emission, ecological responses of northern wetlands to climate change, and the effect of other perturbations such as drainage and flooding.     

低温湿地甲烷古菌及其介导的甲烷产生途径

甲烷是重要的温室气体,低温湿地是大气甲烷的重要来源,因为湿地土壤中生活着大量的微生物包括甲烷古菌,它们将有机物降解转化为甲烷.本文总结了近年来低温湿地甲烷古菌群落组成、甲烷产生途径及其与环境的关系.研究显示,乙酸是低温湿地中主要的产甲烷物质,氢产甲烷过程主要发生在中温地区或酸性泥炭土中,而在盐碱水域中甲醇、甲胺是甲烷的重要底物.位于我国青藏高原的若尔盖湿地具有高海拔但低纬度的地理特征,我们的前期研究却显示甲醇在该湿地的甲烷排放中具有重要贡献.相应地,低温湿地中的甲烷古菌主要是利用甲基类化合物/乙酸的甲烷八叠球菌目和氢营养型的甲烷微球菌目.然而不同类型湿地甲烷排放途径及甲烷古菌的差异主要与环境的土壤类型、pH及植被类型相关,如刚毛荸荠生长的若尔盖湿地土壤中来源于甲醇的甲烷占全部甲烷的l7％;而木里苔草土壤中乙酸是产甲烷的主要前体物质.尽管已知冷适应的甲烷古菌在低温湿地的甲烷排放中发挥重要作用,但目前获得培养的嗜冷甲烷古菌却很少.冷响应的组学研究显示甲烷古菌的冷适应涉及到全局性生物学过程.     

自然湿地土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌多样性的分子检测

自然湿地是CH4排放的重要来源之一。产甲烷菌和甲烷氧化菌是介导自然湿地甲烷循环的重要功能菌群。开展产甲烷菌和甲烷氧化菌多样性的检测研究有助于揭示微生物介导的甲烷循环以及自然湿地甲烷排放的时空异质性。传统基于培养的检测方法已被证实无法充分描述产甲烷菌和甲烷氧化菌的多样性,而分子检测方法为自然湿地土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的多样性检测提供了一种更准确和科学的工具。本文综述了自然湿地土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌的定性和定量分子检测方法,包括末端限制性片段长度多态性（T-RFLP）、变性梯度凝胶电泳（DGGE）、荧光原位杂交（FISH）和实时定量PCR（real-time qPCR）,重点分析了分子检测中两类重要的标记基因,总结了不同类型自然湿地产甲烷菌和甲烷氧化菌群落多样性的最新成果,提出了我国在该领域今后应深入研究探讨的一些问题及建议。