湖泊表层水体“甲烷悖论”现象研究进展

传统观点认为,甲烷(CH4)产生于严格的厌氧环境,在有氧环境中容易被氧化,但许多湖泊表层有氧水体出现了CH4过饱和现象,这种现象被称为"甲烷悖论"现象。为了解释湖泊"甲烷悖论"现象,本文根据湖泊表层CH4的来源,归纳出"外来假说"和"自产假说"。"外来假说"假说认为,岸边浅水区底泥或消落区土壤产生CH4向湖心表层水体横向扩散传输(FL),这种假说适应于岸边富含有机质的小型浅水湖泊。"自产假说"认为,湖心表层水体中产甲烷古生菌原位产生CH4(P),这种假说适应于山区大型深水湖泊。此外,湖泊表层有氧水体中CH4的来源还有湖泊周围河流的输入(FR)、沉淀物或次表层水体的CH4垂直向上湍流扩散(FZ)、气泡CH4溶解在表层水体中(FD)等,而湖泊表层有氧水体中CH4的损耗有"水-气"界面上气体排放(E)、CH4氧化(O)等。在厘清湖泊表层水体中CH4收支的基础上,建立CH4质量收支平衡模型,有助于客观认识湖泊表层水体中CH4的来源。实际上,湖泊表层水体中过饱和甲烷的来源与湖泊的环境特性有关,但数据分析方法、取样时段、湖泊环境条件等差异,容易造成"外来假说"和"自产假说"之争。     

土壤CH_4氧化与土壤甲烷营养菌及主要研究方法

甲烷营养菌(methanotrophs)是一类以CH_4为唯一碳源和能源的细菌,广泛分布在水稻土、森林土、苔原土、泥炭地、海洋与湖泊底泥、堆肥、垃圾填埋场及地下水等环境中,并作为大气甲烷(CH_4)唯一的生物汇(库),在全球温室效应研究中备受关注.目前,关于土壤甲烷营养菌的研究主要包括菌株的多样性、生态分布以及环境因素对微生物氧化CH_4过程的影响.本文从甲烷营养菌的分类入手,概述稻田土壤CH_4的氧化与释放、旱地土壤CH_4的氧化以及影响土壤CH_4氧化的因素等方面的研究进展,同时介绍了土壤甲烷营养菌研究领域的几种主要的分子研究技术,以期为甲烷营养菌相关的研究提供参考.     

城镇快速发展对河流温室气体溶存及扩散通量的影响——以重庆市黑水滩河流域场镇为例

场镇发展是西南山区城镇发展的重要模式,且大部分场镇沿河分布,快速城镇发展给河流水环境及生物地化过程带来了一系列影响,然而其对河流温室气体排放时空格局的影响及机制尚不清楚。选择流域场镇发展特征明显的黑水滩河为研究对象,于2014年9月、12月、2015年3月、6月,对流域内干、支流水体温室气体浓度及扩散通量进行分析,旨在阐明流域场镇式发展下河流温室气体排放时空特征及关键驱动因素。研究结果表明,黑水滩河干、支流水体年均二氧化碳分压(pCO_2)及甲烷(CH_4)、一氧化二氮(N_2O)浓度均处于过饱和状态,是大气温室气体的净排放源;流域内干、支流水体流经不同场镇区前后水体碳、氮、磷及叶绿素a含量均不同程度增加,从上游向下游呈现明显的污染累积;水体溶存pCO_2\\CH_4\\N_2O浓度及扩散通量在不同场镇前后也呈现显著增加的趋势,三种温室气体扩散通量平均增幅分别为25.88%、55.22%、99.64%;河流水体pCO_2与N_2O浓度及通量秋季高于其他季节,CH_4浓度及扩散通量春季最高,秋季次之,夏、冬季最低,温室气体浓度及排放的季节变化主要受温度和降雨格局共同影响。相关分析表明,pCO_2与水温和pH关系密切,而水体CH_4和N_2O浓度与水体碳、氮、磷等生源要素均呈显著的正相关关系,水体CH_4与N_2O浓度对生源要素输入极为敏感,流域场镇发展带来的河流污染负荷的增加可能对水体CH_4与N_2O排放产生明显的激发效应。本研究认为,山区河流流域内沿河串珠状场镇分布对河流水体生源要素及其他理化性质产生累积影响,进而改变了水体温室气体的产生与排放时空格局。     

岱海表层沉积物中内源磷的释放

以北方半干旱地区典型内陆封闭湖泊岱海为研究对象,开展了上覆水质及多种环境因子(温度,pH,溶解氧,扰动,光照)对湖泊沉积物内源磷释放的影响研究。结果表明:(1)温度升高有利于内源磷的释放,湖泊水体在温度较高的夏季更易呈现富营养化状态;(2)碱性条件有利于磷的释放,岱海水体属微碱性环境(pH8.8),若水体pH进一步升高,将会造成沉积物内源磷的大量释放;(3)厌氧条件(ρDO0.8mg/L)有利于磷的释放,岱海湖心区水深较深,易形成厌氧环境,因此湖心区内源磷释放强度较浅水区大;(4)强烈扰动有利于磷的释放,这会对浅水区的底质产生较大影响;(5)照度通过底栖藻类的生物作用,间接地限制了沉积物释磷对上覆水中磷浓度的影响。     

夏季达里诺尔湖浮游细菌群落表、底层结构特征及其关键驱动因子

浮游细菌是湖泊水体物质循环和能量流动过程中的关键要素, 影响着整个生态系统的迁移转化。为探索中国北方典型内陆封闭型湖泊浮游细菌群落结构对环境因子变动的响应, 以夏季内蒙古达里诺尔湖(以下简称“达里湖”)为例, 采集表、底层水共32个样品, 基于16S rRNA基因测序, 详细分析了浮游细菌群落结构的表、底层变化特征及其主要影响因素, 结果显示: (1)夏季达里湖水体中浮游细菌群落多样性和均匀度均呈现表层＞底层, 丰富度则呈底层＞表层。(2)浮游细菌群落以变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、蓝细菌门(Cyanobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)四大优势菌门为主要组成部分, 且变形菌门含量在表、底层水体中均占绝对优势: 在底层水中占比46.46 %, 在表层水中占比36.21 %。(3)基于不同环境因子和浮游细菌优势菌门间的Pearson相关性分析, 表层水体中总溶解性固体(TDS)、溶解态无机磷(DIP)是多数优势菌门的主要驱动因子, 而底层水体中的总氮(TN)、叶绿素a(Chl a)和水温(WT)为主要驱动因子。总的来说, 达里诺尔湖表、底层浮游细菌群落结构与不同环境因子间存在显著相关, 而水体环境因子的表、底层差异是影响多数优势菌门演化的重要因素。     

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。     

鄱阳湖湖泊细菌群落组成及结构——以松门山为例

于2011年5月在鄱阳湖——松门山湖区采集底泥与表层水样,分别提取了表层水体浮游和底泥微生物基因组DNA,利用454高通量测序技术对细菌的16S rRNA基因进行了序列测定,分析了湖泊底泥细菌、水体浮游细菌群落结构特征。结果显示:底泥细菌OTUs(Operational Taxonomic Units)为1454,表层水体浮游细菌OTUs为269;底泥细菌群落比表层水体更加多样化,底泥细菌的物种数大大多于表层水体。同时,底泥细菌群落与表层浮游细菌群落结构存在显著差异。物种分类显示鄱阳湖底泥细菌种类隶属于20门,228属,其中优势种群为δ-变形菌纲(Deltaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia);表层水体浮游细菌隶属于13门116属,优势种群为β-变形菌纲、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)。结果进一步揭示,无论是浮游细菌群落还是沉积物细菌群落,优势细菌种群的基因型多样性更高。     

升温对超富营养型浅水湖泊沉积物营养盐动态迁移的影响

在实验室控制条件下,以超富营养型浅水湖泊——武汉南湖表层沉积物和表层水为研究对象,设置18℃和22.5℃两个温度处理组,模拟武汉地区预测的21世纪末春季变暖的情景,研究升温对沉积物营养盐释放的影响。实验结果表明:整个实验过程中,22.5℃处理组水体中正磷酸盐(o-P)和总磷(TP)含量显著高于18℃处理组,说明气温升高可以显著促进富营养化浅水湖泊沉积物磷的释放,促进水体中磷含量的显著升高;此外,在实验的初始阶段,升温能够加速水体中氨氮(NH+4-N)向硝态氮(NO-3-N)转化的过程,同时水体与沉积物中氮含量的下降可能是水体与沉积物中的氮通过反硝化作用从系统中溢出以及被系统中的底栖生物利用所致,没有观察到气温升高对沉积物中总氮的释放产生显著影响。     

稳定碳同位素技术在北京市公园湖泊沉积物有机质来源分析与评价中的应用

湖泊是陆地水圈的重要组成部分,湖泊沉积物是水体污染物的源和汇,北京湖泊生态环境和环境质量评价越来越受关注。本研究对2012—2013年北京市19个公园湖泊表层沉积物中δ13Corg、C/N值及TOC、TON含量进行分析,探讨了湖泊生产力分布、湖泊营养输入、表层沉积物营养含量以及各沉积物有机质来源。结果表明,湖泊表层沉积物由于存在地域差异,δ13Corg、C/N、TOC、TON含量的差别较大、湖泊生产力与营养水平各不相同;通过有机指数评价法推断,所研究的湖泊中只有3个湖泊较清洁,其他均受到不同程度的有机污染;结合δ13Corg(-27.6‰~-22.1‰)和C/N(8.2~58.1)2个特征值对沉积物进行有机质来源的定性及半定量分析,推断出北京市公园湖泊有机质大多来源为污水有机质,应主要从控制污水输入方面降低湖泊污染风险。     

挺水和湿生草本植物传输甲烷的过程与机制研究进展

甲烷(CH_4)是一种重要的温室气体,参与大气光化学反应。水生与湿生环境是大气CH_4的重要来源。挺水和湿生草本植物是CH_4释放的重要通道,研究植物如何传输CH_4具有重要的意义。在植物传输CH_4的过程中,根系尤其是侧根根尖区起到了关键调控作用;通气组织内部的隔膜与根茎连接部位也是调控CH_4传输的重要界面。在早期的研究中,关于茎叶排放CH_4主要通过气孔还是微孔(位于地上部除叶片以外的细小的裂隙与孔洞)这一问题存有争议,但是微孔的主导传输作用逐渐被后期的研究证实。枯死与损伤的茎干通常促进CH_4传输排放。扩散与对流是植物传输CH_4的两种主要机制,对流的传输效率高于扩散。生物因素(生物量与光合作用等)与环境因子(光照与温、湿度等)共同调控着植物传输CH_4。目前针对植物传输CH_4的过程与机制已有较系统的认识,但需要深入研究下列问题:(1)植物传输CH_4的系列关键界面中,各个界面的传输效率如何?哪个界面对整体传输起决定性作用?(2)扩散与对流分别对各界面交换与整体长距离传输的内在调控作用。(3)各生物与非生物影响因子间的耦合作用机制。(4)物种间CH_4传输机制与效率的异同。     

挺水和湿生草本植物传输甲烷的过程与机制研究进展北大核心CSCD

甲烷(CH_4)是一种重要的温室气体,参与大气光化学反应。水生与湿生环境是大气CH_4的重要来源。挺水和湿生草本植物是CH_4释放的重要通道,研究植物如何传输CH_4具有重要的意义。在植物传输CH_4的过程中,根系尤其是侧根根尖区起到了关键调控作用;通气组织内部的隔膜与根茎连接部位也是调控CH_4传输的重要界面。在早期的研究中,关于茎叶排放CH_4主要通过气孔还是微孔(位于地上部除叶片以外的细小的裂隙与孔洞)这一问题存有争议,但是微孔的主导传输作用逐渐被后期的研究证实。枯死与损伤的茎干通常促进CH_4传输排放。扩散与对流是植物传输CH_4的两种主要机制,对流的传输效率高于扩散。生物因素(生物量与光合作用等)与环境因子(光照与温、湿度等)共同调控着植物传输CH_4。目前针对植物传输CH_4的过程与机制已有较系统的认识,但需要深入研究下列问题:(1)植物传输CH_4的系列关键界面中,各个界面的传输效率如何?哪个界面对整体传输起决定性作用?(2)扩散与对流分别对各界面交换与整体长距离传输的内在调控作用。(3)各生物与非生物影响因子间的耦合作用机制。(4)物种间CH_4传输机制与效率的异同。     

底泥微生物活性对蓝藻水华水柱及沉积物间隙水氮磷分布的影响

比较研究了蓝藻水华暴发水体与无蓝藻水华暴发水体的沉积物间隙水NH₄⁺-N、NO₃^--N和。PO₄^3--P的垂向分布特征和表层沉积物的微生物活性(FDA)、碱性磷酸酶活性(APA),并对它们的相互关系进行了统计分析。结果表明,NH₄⁺-N含量在两类水体中,都呈现出表层水<底层水<间隙水的趋势,表明其有从沉积物向上覆水体扩散的风险;而PO₄^3--P、NO₃^--N浓度则呈现表层水>底层水>间隙水的趋势;沉积物有机质(LOI)、APA和FDA活性也都随着深度增加而逐渐降低。APA与FDA活性之间相关性极显著,暗示碱性磷酸酶的分泌主要受微生物活性的影响。间隙水NH₄⁺-N含量与表层10cm内底泥的APA和FDA活性具有极显著正相关性(a=0.01),表明在厌氧环境中,微生物对氮素的分解和矿化作用主要受二者活性影响。     

Effects of exotic-native species relationship on naturalization and invasion of exotic plant species

达尔文归化难题描述了外来种-本地种亲缘关系促进(预适应假说)或阻止(达尔文归化假说)外来种成功入侵的悖论。目前, 在中国仍缺少针对达尔文归化难题的研究。为系统研究外来种-本地种亲缘关系对中国外来植物入侵的影响, 该文利用线性混合效应模型从省级、市级和群落3个空间尺度以及归化、扩散和入侵3个阶段探究了外来种-本地种谱系距离和外来植物表现的关系。结果表明: 在省级和市级(区域)尺度上, 与本地种亲缘关系较近的外来植物更有可能在当地归化和扩散, 符合预适应假说的预期; 而在群落(局域)尺度上, 外来种-本地种亲缘距离与外来种是否在群落中成功定居及其入侵程度无关。该研究结果表明与本地区系亲缘较近的外来种和本地种的竞争并不强烈, 却能较好地适应本地气候环境而具有更强的归化和入侵潜力。因此, 在今后的外来植物管理和治理中需要尤其重视与本地区系亲缘关系较近的外来植物。     

外来种-本地种亲缘关系对外来植物归化和入侵的影响

达尔文归化难题描述了外来种-本地种亲缘关系促进(预适应假说)或阻止(达尔文归化假说)外来种成功入侵的悖论。目前, 在中国仍缺少针对达尔文归化难题的研究。为系统研究外来种-本地种亲缘关系对中国外来植物入侵的影响, 该文利用线性混合效应模型从省级、市级和群落3个空间尺度以及归化、扩散和入侵3个阶段探究了外来种-本地种谱系距离和外来植物表现的关系。结果表明: 在省级和市级(区域)尺度上, 与本地种亲缘关系较近的外来植物更有可能在当地归化和扩散, 符合预适应假说的预期; 而在群落(局域)尺度上, 外来种-本地种亲缘距离与外来种是否在群落中成功定居及其入侵程度无关。该研究结果表明与本地区系亲缘较近的外来种和本地种的竞争并不强烈, 却能较好地适应本地气候环境而具有更强的归化和入侵潜力。因此, 在今后的外来植物管理和治理中需要尤其重视与本地区系亲缘关系较近的外来植物。     

湖泊水体细菌多样性及其生态功能研究进展

维护湖泊生态系统健康发展是一个全球关注的热点问题.细菌不仅是湖泊系统食物网的重要组成部分,同时在控制和调节湖泊水质方面发挥着重要作用.本文对于细菌多样性的相关概念和评价方法、细菌群落在湖泊水体中的分布特征、形成机制及其生态功能等方面进行了综合论述和分析.目前,在湖泊水体中共发现21个典型的淡水细菌门类,其中变形菌门(Proteobacteria)、蓝细菌门(Cyanobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、放线菌门(Actinobacteria)和疣微菌门(Verrucomicrobia)是最主要的5个门类.Beijerinck和Baas-Becking的观点及Meta-群落假说,均表明湖泊水体细菌群落多样性和物种分布特征是“随机分布”和“环境决定”两种过程共同作用的结果.对湖泊细菌功能的研究,主要集中于细菌参与下的湖泊水体生产力和元素的生物地球化学循环过程.尽管经过十几年的不懈努力,人们对湖泊细菌群落多样性和功能的认识还十分有限,湖泊细菌生态学仍是一门年轻的科学,限制着人们对湖泊微生物群落的进一步认识.未来研究者们需要在以下4个方面重点开展工作:(1)综合细菌表型、基因型、系统发育史及生态特征的一致性来界定细菌“种”的概念;(2)在区域尺度上研究细菌在不同斑块间的扩散作用;(3)在微观尺度上研究细菌群落多样性及功能特征;(4)提出或验证湖泊细菌群落多样性的生态理论及假说,完善微生物生态学相关理论框架.     

内陆湿地与水体甲烷厌氧氧化功能微生物研究进展

内陆湿地与水体(如湖泊、河流、水库等)是温室气体甲烷的重要排放源。微生物介导的甲烷厌氧氧化(anaerobic oxidation of methane,AOM)反应在控制内陆湿地与水体甲烷排放中起着不可忽视的作用,对缓解全球温室效应具有重要意义。内陆湿地与水体易形成缺氧环境,且电子受体的种类和数量繁多,是发生AOM反应的理想生境。近年来,不断有研究表明,内陆湿地与水体中存在多种电子受体(NO₂^-、NO₃^-、SO₄^2-、Fe (III)等)驱动的AOM途径。NC10门细菌和甲烷厌氧氧化古菌(anaerobic methanotrophic archaea,ANME)的一新分支ANME-2d主导了湿地和水体环境中的AOM反应,其中ANME-2d具有根据环境条件选择不同电子受体的潜力。研究系统综述了内陆湿地与水体中不同电子受体驱动的AOM途径及其参与的主要功能微生物类群;分析了AOM反应在控制温室气体甲烷排放中的作用及其环境影响因素;总结了相关功能微生物的分子生物学检测方法及甲烷厌氧氧化活性测定的同位素示踪技术。最后,对未来相关研究方向进行了展望。     

达里诺尔湖沉积物中无机碳的形态组成

以达里诺尔湖沉积物为研究对象,运用连续浸取法分析测定了沉积物中不同形态的无机碳,开展了沉积物中无机碳形态的分布特征研究,初步探讨了沉积物中不同形态生源要素与无机碳的相互关系.研究表明,表层和柱芯沉积物中无机碳的主导形态均为NH2OH·HCl相;空间分布上,湖心区为各形态无机碳的高值区,东部和北部湖区为低值区;计算结果表明,碳酸钙在湖水中可达过饱和,揭示达里诺尔湖具备形成自生碳酸盐沉淀的条件;沉积柱芯中氮、磷和生物硅与无机碳的相互关系反映了营养水平升高可促进水体对碳酸钙过饱和条件的形成,藻类光合作用对水体理化性质的改变是导致碳酸盐沉淀的重要因素之一.     

贵州草海沉积物重金属时空分布特征与生态风险评价

在草海选取代表性点位采集表层沉积物和沉积物柱芯,测定沉积物Cr、Ni、Cd、Co、Pb、Zn和Sb等重金属含量,研究草海沉积物重金属时空变化特征、来源及潜在生态危害。结果表明:草海表层沉积物中Cd、Pb、Zn和Sb在湖泊北部、湖心及西南湖区含量较高,且由北向西南方向呈扇形分布,主要来源于周边矿产资源的开发;Cr、Ni和Co在湖泊最西端区域含量较高,主要受城镇生产生活污水排放影响;草海沉积物中Cd和Sb污染最严重,其地质累积指数分别为1.50~4.62(平均值3.10)和1.63~3.45(平均值2.61);潜在生态危害指数显示,草海沉积物Cd的生态风险较高,且湖心区域最严重。草海沉积物柱芯中重金属的垂直剖面分布正好对应了草海流域的矿产开采历史。尽管流域矿产资源开采活动已经停止,但以往矿产资源开采及冶炼过程中产生的重金属仍是目前草海重金属污染的主要来源。因此,应制定合理措施,严格控制重金属污染来源,并建立有效的沉积物重金属污染治理措施,恢复草海生态环境。     

陆生植物自身能否排放甲烷?

一般认为自然来源的甲烷是在厌氧环境下形成的,而最近研究却发现在有氧环境下植物自身也能释放甲烷,这将对全球甲烷收支产生重大影响。但这一发现目前还存在很大争议,一些研究证实植物在有氧环境下能排放甲烷,果胶、聚半乳糖醛酸等含甲氧基官能团的组分是植物产生甲烷的主要来源物质,甚至纤维素、木质素等植物结构组分也能排放甲烷;而另一些研究却发现植物并不能排放甲烷或者排放速率极小,而观测到的植物甲烷排放可能来自于土壤中,即溶解有甲烷的土壤水分被被植物吸收并通过蒸腾或蒸发作用而排放到大气中。有氧环境下植物排放甲烷的机制仍不清楚,光照、温度、紫外辐射、机械损伤等环境胁迫可能是导致植物排放甲烷的重要原因,但这些因素的影响作用仍存在很大的不确定性。即使如此,一些研究仍对全球或区域植物甲烷排放的通量进行了估算,估计全球植物甲烷排放通量为10-236Tg.a-1。未来研究应在更多地区针对不同生境的各种植物是否排放甲烷进行独立检验,并在此基础上探讨植物排放甲烷的机制。     

安康水库表层浮游藻类群落结构及其与环境因子的关系

为了解安康水库表层水质与浮游藻类群落现状以及浮游藻类群落结构与环境因子之间的关系,于2012年1—12月对水库表层水进行每月一次的采样,分别对浮游藻类分布状况和理化因子进行分析.利用Shannon指数(H)和Pielou均匀度指数(J)分析浮游藻类群落特征,根据理化指标和综合营养状态指数(TSI)评价水体营养状态.共检测到浮游藻类7门110属,丰度为0.11×10⁴～2.08×10⁴ cells·L^-1.藻类组成、污染指示种分布情况、多样性分析和TSI显示安康水库表层属于中污染水质,处于中营养状态.此外,高密度投饵水产养殖及生活污水直接排放入库对水质产生负面影响,支流岚河的水质状况也较差.典范对应分析(CCA)结果显示,测定的8个环境因子中,不同季节影响浮游藻类群落组成及分布的环境因子不同,且氮是影响浮游藻类组成的主要营养盐因子.理化指标分析显示,安康水库表层水大体满足Ⅱ类水标准,水质良好.但部分采样点的总氮出现差于Ⅱ类水标准的现象,表明安康水库水质有变差的趋势.