大气甲烷的源和汇与土壤氧化(吸收)甲烷研究进展

甲烷是主要的温室气体之一,对温室效应的贡献仅次于CO2,而每分子甲烷温室增温潜力是CO2的21倍,因此确定全球大气甲烷的源与汇,并与其进行估算,预测已成为目前全球环境变化及温室效应研究的一个热点。本文概述了国内外大气甲烷烷源与汇研究的进展情况,详述了土壤氧化（吸收）大气与内源甲烷机理及其影响因子（如土地利用情况,环境甲烷浓度,土壤温度,湿度,pH值,孔隙状况等）,最后指出,通过在长白山森林垂直分布带开展地带性土壤甲烷氧化（吸收）研究,对估算我国温带至寒带,高山苔原带土壤吸收甲烷含量,乃至全球甲烷汇具有重要意义。     

甲烷排放部分抵消湿地生态系统碳汇功能：全球数据分析

湿地生态系统是吸收全球大气二氧化碳(CO₂)的汇,同时土壤厌氧环境造成其是大气甲烷(CH₄)的源。尽管有证据表明,湿地生态系统CH₄排放部分抵消其对大气CO₂的净吸收,但目前未见全球尺度湿地CH₄排放对其净生态系统CO₂交换(NEE)抵消效应的研究。本研究分析了全球内陆湿地(泥炭湿地和非泥炭湿地)以及滨海湿地(海草床、盐沼和红树林)中同时测定湿地NEE和CH₄排放通量的数据。结果表明：各类型湿地生态系统均为大气CO₂的汇,NEE值排序为红树林(-2011.0 g CO₂·m^-2·a^-1)<盐沼(-1636.6 g CO₂·m^-2·a^-1)<非泥炭地(-870.8 g CO₂·m^-2·a^-1)<泥炭地(...     

大气CO2浓度缓增对稻田硝酸盐型甲烷厌氧氧化过程的影响

硝酸盐型甲烷厌氧氧化(AOM)是控制稻田甲烷排放的一种新途径,大气CO₂浓度升高会对稻田甲烷排放产生重要影响,但有关其对硝酸盐型AOM过程的影响知之甚少。本研究依托开顶式气室组成的CO₂浓度自动调控平台,采用¹³CH₄稳定性同位素示踪技术,从甲烷氧化活性、相关功能微生物Candidatus Methanoperedens nitroreducens (M. nitroreducens)-like古菌丰度与群落组成等方面,系统研究了稻田土壤中硝酸盐型AOM过程对大气CO₂浓度缓增的响应。试验设置背景CO₂浓度和CO₂浓度缓增处理(背景CO₂浓度基础上每年增加40 μL·L^-1,直至增幅达160 μL·L^-1)。结果表明: 稻田土壤硝酸盐型AOM速率为0.7～11.3 nmol CO₂·g^-1·d^-1;定量PCR结果显示,M. nitroreducens-like古菌mcrA基因丰度为2.2×10⁶～8.5×10⁶ copies·g^-1。与对照相比,CO₂浓度缓增处理使土壤中硝酸盐型AOM速率和M. nitroreducens-like古菌mcrA基因丰度均有一定幅度提高,特别是在5～10 cm深度下两者均显著提高。CO₂浓度缓增处理未显著改变M. nitroreducens-like古菌群落结构,但使其多样性显著降低。相关性分析表明,土壤有机碳含量可能是影响硝酸盐型AOM过程的重要因子。综上,大气CO₂浓度缓增在一定程度上促进了硝酸盐型AOM反应,暗示在未来气候变化背景下其在控制稻田甲烷排放中具有积极作用。     

贡嘎山海拔梯度上不同植被类型土壤甲烷氧化菌群落结构及多样性

甲烷是仅次于CO₂的第二大温室气体.森林表层土壤中甲烷好氧氧化作用是大气甲烷重要的汇,在碳循环和减缓全球变暖方面起着重要作用.研究不同植被类型土壤中甲烷氧化菌的群落结构及多样性,有助于更好地理解植被演替、人为干扰和不同土地利用背景下甲烷氧化菌群落组成和多样性变化与地上植被之间的相互关系.本研究在贡嘎山东坡海拔梯度上的4种不同植被类型中采集了92个土壤样品,利用Miseq测序技术和生物信息学方法评估了甲烷氧化菌群落组成及多样性在4种不同植被类型间的变化,并探讨了其变异的潜在原因.结果表明: 常绿阔叶林和针阔叶混交林土壤中甲烷氧化菌的群落结构较为相似,暗针叶林和灌丛草甸土壤甲烷氧化菌的群落结构较为相似.4种不同植被生态系统中,针阔叶混交林土壤中的甲烷氧化菌α多样性显著高于其他3种植被生态系统(P＜0.001),且暗针叶林和灌丛草甸土壤中甲烷氧化菌β多样性显著高于常绿阔叶林和针阔叶混交林(P＜0.001).Spearman相关分析表明,不同类型甲烷氧化菌的相对丰度对环境变化的响应模式不同.造成α多样性差异的主要因子可能是土壤总氮、电导率和土壤温度.偏Mantel检验分析和冗余分析(RDA)表明,常绿阔叶林和针阔叶混交林土壤甲烷氧化菌多样性受环境因子的影响较大,而暗针叶林和灌丛草甸土壤中甲烷氧化细菌多样性变化可能存在其他潜在的影响因素或者机制.降水可能是造成低海拔常绿阔叶林和针阔叶混交林与高海拔暗针叶林和灌丛草甸土壤甲烷氧化细菌群落结构差异的主要原因.贡嘎山海拔梯度上不同植被类型土壤中甲烷氧化菌的群落结构和多样性变化可能主要是由于土壤理化性质和气候变化综合作用的结果.     

增温对土壤N2O和CH4排放的影响与微生物机制研究进展

全球变暖已引起人们的广泛关注,大气温室效应气体浓度增加是导致全球变暖的主要因素之一,土壤是温室效应气体的主要来源。反过来,全球变暖对土壤温室气体的排放具有反馈作用。温度升高不仅会影响植物、动物、微生物的生长及其相互作用,还会影响土壤的物质(尤其是氮、碳)循环过程,从而影响土壤温室效应气体的排放。本文主要总结了增温对土壤主要温室气体N₂O和CH₄排放的影响及其微生物机制。总体来看,增温能够促进这两种温室气体的排放,其排放主要与温度对氨氧化细菌(AOB)、反硝化功能基因、甲烷产生菌和甲烷氧化菌的丰度和组成的影响有关。土壤温室气体排放也受到植物的物种特性、养分吸收和群落组成,以及土壤营养元素含量、含水量、pH值等理化性质的影响。未来应更深入地从微生物角度探讨全球变暖对土壤温室气体排放的反馈作用机制,加强不同增温模式对土壤温室气体排放的影响研究,并关注增温与其他环境因子相互作用对土壤温室气体排放的影响等,以期为全球变暖对土壤温室气体排放反馈作用的预测提供理论依据。     

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.     

适度放牧增加内蒙古典型草原甲烷氧化菌丰度和甲烷吸收

微生物氧化是大气甲烷唯一的生物汇.认识草原甲烷(CH₄)通量对不同利用方式的响应是制定低碳高效草原管理体系的基础.本研究通过测定内蒙古中部典型草原在放牧、割草和围封管理下生态系统的CH₄通量和土壤甲烷氧化菌丰度,旨在确定不同利用方式对内蒙古典型草原生态系统CH₄吸收的影响,验证甲烷氧化菌功能基因(pmoA)丰度调控CH₄通量.测定草原是连续5年实施4种不同利用处理的试验草原,4个处理为全植物生长季(5—9月)放牧(T₁)、春夏5月和7月放牧(T₂)、秋季割草(T₃)和围封禁牧(T₀).在测定植物生物量和土壤理化特征的基础上,采用静态箱置法测定草原植物生长季CH₄通量,采用分子技术测定草原表层土壤甲烷氧化菌pmoA功能基因的丰度.结果表明: 放牧显著促进CH₄吸收,增加甲烷氧化菌丰度(即每克干土pmoA功能基因拷贝数),其在生长季的变化范围是6.9×10⁴~3.9×10⁵.T₁处理下植物生长季的CH₄平均吸收量为(68.21±3.01) μg·m^-2·h^-1,显著高于T₂、T₃和T₀处理22.1%、37.5%和30.9%.草原CH₄吸收与甲烷氧化菌丰度呈极显著正相关,与土壤砂粒占比呈显著正相关,而与土壤粉粒占比、土壤水分含量、土壤铵态氮和硝态氮含量,以及植物地上生物量呈显著负相关.表明不同利用方式下内蒙古典型草原都是CH₄的汇,而适度放牧可增加草原土壤砂粒占比,降低土壤无机氮含量和植被生物量,提高土壤甲烷氧化菌丰度和CH₄吸收.本结果对制定低排放草原管理体系具有重要意义.     

冻土甲烷循环微生物群落及其对全球变化的响应

冻土是陆地生态系统中最容易受到全球气候变化影响的碳库,既发挥着碳源又起着碳汇的作用。人们非常关注贮存于冻土中有机碳的最终归宿,是因为全球气候变暖会加快冻土的解冻,释放更多的温室气体（二氧化碳和甲烷）到大气中,从而进一步加剧温室效应。据估计每年从北半球冻原陆地生态系统释放进入大气的甲烷约占全球自然界释放甲烷总量的25%。研究证实冻土生物源甲烷的产生和消耗分别由耐(嗜)低温的产甲烷菌(methanogens)和甲烷氧化菌(methanotrophs)介导。鉴于冻土甲烷循环对全球甲烷平衡的显著作用以及在冻土生物地球化学循环中的重要功能,对介导冻土甲烷循环的产甲烷菌和甲烷氧化菌的研究将有助于更好地评估冻土生态系统对全球气候变化的响应和影响,本文就冻土甲烷循环过程、产甲烷菌、甲烷氧化菌的群落结构、活动、生态功能及其对气候和环境变化的响应机制的最新研究进行综述,以期为我国开展冻土甲烷循环机理研究提供支持。     

土壤湿度对中国南部热带森林土壤甲烷吸收的影响

森林土壤是一个重要的大气甲烷的汇。然而,相较于寒带和温带,在热带尤其是东南亚地区,森林土壤甲烷通量的观测较少,这限制了目前对热带森林土壤甲烷通量与环境因子之间关系的认识,也给热带森林土壤甲烷汇的估算带来了一定的不确定性。在中国海南省吊罗山国家森林公园的热带森林土壤,采用激光光谱法测量了2016年9月至2018年9月逐月的土壤甲烷通量,并分析了其与周围环境因子的关系。结果表明：研究区土壤是甲烷的汇,山顶样地的年平均吸收量为0.95 kg CH₄-C hm^-2 a^-1,山脚样地的年平均吸收量为1.93 kg CH₄-C hm^-2 a^-1。干季(11月—次年4月)的甲烷吸收通量明显高于湿季(5—10月),占到全年甲烷吸收的68%。山顶样地年平均土壤湿度为19.2%,年内的波动较小(2.8%)。而山脚样地的年平均湿度相对较低,为12.7%,且年内波动大(5.4%)。土壤湿度是控制甲烷吸收最主要的环境因子,可以解释月际甲烷吸收变化的76%,甲烷吸收通量与土壤温度的相...     

全球变化对森林土壤甲烷吸收的影响及其机制研究进展

大气CO₂浓度升高、降水格局改变、全球氮沉降增加和土地覆盖变化等全球变化不仅改变了森林土壤理化性质,而且影响了植物的生长和微生物活性,导致森林土壤碳、氮循环发生改变,进而影响土壤CH₄的吸收.本研究综述了森林土壤CH₄吸收的重要性,森林土壤CH₄吸收对大气CO₂浓度升高、降水格局改变、全球氮沉降增加和土地覆盖变化等全球变化的响应差异及驱动机制.大气CO₂浓度升高抑制土壤CH₄吸收;降水减少倾向于促进土壤CH₄吸收;外源氮输入抑制富氮森林土壤CH₄吸收,而对贫氮森林土壤CH₄吸收则表现为促进或不影响;森林转化为草地、农田或人工林会减少土壤CH₄的吸收量,而植树造林则会增加土壤CH₄的吸收量.今后的研究重点是探讨全球变化对森林土壤CH₄吸收产生长期影响和综合效应,并借助分子生物学方法进一步探究土壤CH₄吸收的微生物学机制.     

大兴安岭重度火烧迹地天然次生林土壤温室气体通量及其影响因子

为研究大兴安岭重度火烧迹地自然恢复后的林分土壤温室气体源汇强度及其影响因素,采用静态箱/气相色谱法,对生长季(6—9月)天然次生林土壤温室气体CO₂、CH₄、N₂O通量进行原位观测.结果表明: 1)生长季内天然次生林土壤为大气CO₂、N₂O的源,CH₄的汇,平均通量分别为575.81 mg·m^-2·h^-1、17.81 μg·m^-2·h^-1和-68.69 μg·m^-2·h^-1;CO₂与CH₄通量在生长季内表现出明显的双峰变化规律,N₂O通量则呈单峰变化,且均在8月达到观测期的最大值.2)土壤温度是影响该区天然次生林土壤温室气体通量的主控因子,土壤湿度和大气湿度在昼夜与季节尺度上与土壤温室气体通量的相关性不同.3)该区天然次生林9:00—12:00时段观测获得的土壤气体通量值经矫正后可代表当日气体通量.研究补充了大兴安岭火烧迹地森林生态系统温室气体通量数据,为该区土壤温室气体源汇的相关研究提供了依据.     

内蒙古典型草原植物功能型对土壤甲烷吸收的影响

甲烷(CH₄)是仅次于CO₂的重要温室气体。内蒙古草原是欧亚温带草原的重要类型, 具有典型的生态地域代表性。该文以内蒙古温带典型草原为研究对象, 通过人工剔除植物种的方法来确定群落中的植物功能型, 并应用静态箱技术, 观测土壤CH₄的吸收, 以理解植物功能型对土壤CH₄吸收的影响。结果表明: 1)土壤CH₄的吸收受温度和水分变化的影响, 具有明显的季节差异, 且与温度显著相关。2)在2008年和2009年所测的大部分月份中, 植物功能型的土壤CH₄吸收量之间没有显著差异; 然而在植物生长旺季(8月), 不同植物功能型的土壤CH₄吸收量之间存在显著差异, 多年生丛生禾草的土壤CH₄吸收量最小。3)处理中一、二年生植物、多年生杂类草的存在能够增加土壤CH₄的吸收量, 而处理中多年生根茎类禾草、多年生丛生禾草的存在对土壤CH₄吸收的影响不大。这可能是因为, 植物功能型影响土壤的微生物代谢和环境因子, 进而影响土壤CH₄吸收量。该试验说明, 在痕量气体层面上, 植物功能型组成在生态系统功能中具有重要作用, 特别是群落中的亚优势种和伴生种(一、二年生植物、多年生杂类草), 通过调控土壤微生物和环境因子, 对地-气的CH₄交换产生重要影响。     

互花米草入侵对滩涂湿地甲烷排放的影响

在浙江省台州市附近滩涂湿地设置3个不同互花米草入侵密度梯度,即仅有本土植物样地、互花米草与本土植物混生样地和互花米草单优群落样地,研究互花米草入侵对滩涂湿地CH₄排放的影响.结果表明: 3个样地CH₄排放通量为0.68～5.88 mg·m^-2·h^-1,CH₄排放通量随着互花米草入侵梯度的增加而显著升高,互花米草单优群落样地CH₄排放通量分别为本土植物样地和混生样地的8.7和2.3倍.互花米草入侵显著提高了产甲烷菌数量、产甲烷潜力、甲烷氧化菌数量、甲烷氧化潜力、植物生物量、土壤有机碳含量和土壤pH,降低了土壤全氮含量.CH₄排放通量与土壤全氮呈显著负相关,与产甲烷菌数量、产甲烷潜力、甲烷氧化菌数量、甲烷氧化潜力、植物生物量和土壤pH呈显著正相关.互花米草的入侵提高了滩涂湿地植物群落生物量和土壤pH,促进了产甲烷菌数量和产甲烷潜力,从而提高了滩涂湿地的CH₄排放.     

微生物介导的甲烷厌氧氧化过程及其影响因子研究进展

温室气体甲烷减排是全球变化领域的研究热点,甲烷厌氧氧化(anaerobic methane oxidation,AOM)过程是一个以前被忽视的甲烷汇,在调控全球甲烷收支平衡及减缓温室效应等方面扮演着十分重要的角色。AOM微生物以甲烷为唯一电子供体,与硫酸盐(SO42-)、亚硝酸盐(NO2-)/硝酸盐(NO3-)、金属离子(Fe3+、Mn4+、Cr6+)等结合完成氧化还原过程,该过程是耦合碳、氮、硫循环的关键环节。本文系统整理分析了不同AOM类型、发生机理、相关功能微生物类群(ANME-1、ANME-2、ANME-3、NC10、MBG-D)及影响AOM过程的关键调控因子的最新研究进展。结果发现,目前80%以上研究都集中在对最常见电子受体类型(SO42-/NO3-/NO2-/Fe3+/Mn4+)的AOM相关过程,而忽视了潜在的新型电子受体(AQDS/HAs O42-/Cr6+/ClO4-等)的耦合作用过程和相对应的微生物类型及作用机理。对未来AOM研究方向提出展望,以期为研究甲烷厌氧氧化菌在不同生态系统中的生态分布及减缓全球温室气体排放提供新的思路。     

微生物甲烷氧化反硝化耦合反应研究进展

甲烷氧化反硝化耦合过程是连接碳循环和氮循环的重要桥梁.该过程的深入研究有助于完善人们对全球碳氮生物化学循环的认识.甲烷作为反硝化外加气体碳源,既能调控大气甲烷平衡,有效减缓由甲烷引起的温室效应,又能降低反硝化工艺中因投入外加碳源带来的成本.因此近年来甲烷氧化反硝化耦合反应及其机理研究倍受关注.本文主要讨论了好氧和厌氧两种类型的甲烷氧化反硝化过程,重点对其微生物耦合反应机理及其影响因素进行了综述,同时指出了其工程化应用存在的问题,并对其应用前景提出展望.
     

植物释放甲烷研究进展

植物是否在有氧条件下自身产生甲烷、其产生机制和释放速率等问题目前还存在很大争议,如果确证植物在有氧条件下产生较大量的甲烷,就必须重新认识和计算全球甲烷的源汇及其收支平衡。已有研究表明,植物排放的甲烷有一部分是由土壤或木本植物的根和树干内部产甲烷微生物产生,再通过植物传输进入大气中的;植物本身产生甲烷的机制可能主要是在活性氧自由基的作用下,将植物细胞壁成分果胶、木质素等中的甲氧基转化为甲烷,这一过程受到高温、强光和UV辐射等环境胁迫的刺激。根据植物排放速率或大气甲烷浓度与碳同位素组成的实测值,对区域和全球植物源甲烷排放率做出的估算还存在相当大的不确定性,需要对更多植物和更多地点开展实测研究,深入了解植物产甲烷的机制和过程,并结合大气传输模型才能进一步提高估算准确性。     

土壤大气甲烷氧化菌研究进展

土壤微生物催化是大气中痕量甲烷(约1.8ppmv)氧化的唯一生物途径。目前的研究表明好氧土壤中存在专性和选择性大气甲烷氧化菌2种类型:前者(USCα和USCγ)广泛分布于各种好氧旱地土壤,其甲烷氧化酶对低浓度甲烷亲和力极高,属真正的寡营养型,但至今尚未获得该种类的纯培养菌株。后者属于传统甲烷氧化菌Methylocystis/Methylosinus属,广泛分布于各种周期性排放高浓度甲烷的土壤环境中。该属大部分菌株含有亲和力不同的2套甲烷单加氧酶系统,其中的高亲和力甲烷单加氧酶使这些菌株可以在相当长的时间内(3个月)保持大气浓度甲烷氧化活性,但其生长和繁殖还需依赖于土壤内部阶段性产生的高浓度甲烷。本文详细阐述了2类大气甲烷氧化菌的发现历程及其可能的生存策略,最后系统梳理了几种关键的环境因子(土壤温度及湿度、土壤pH、植被、土地利用及氮输入)对大气甲烷氧化菌群落结构和甲烷氧化活性的影响,提出并展望了土壤大气甲烷氧化菌研究的重要方向。     

甲烷氧化过程中铜的作用研究进展

甲烷生物氧化在全球甲烷平衡和温室效应控制中扮演着重要的角色,而铜是甲烷生物氧化过程中的重要影响因子.一方面,铜是调控不同类型甲烷单加氧酶表达的主要影响因子,是组成颗粒性甲烷单加氧酶的必需金属元素;另一方面,在自然环境体系中,铜含量及其形态的变化对甲烷氧化菌的分布、代谢甲烷和非甲烷类有机化合物的能力以及甲烷氧化菌的特异性铜捕获系统也会产生较大影响.准确把握铜在甲烷生物氧化过程中发挥的作用将有助于全面了解甲烷生物氧化过程,进而更好地指导甲烷氧化微生物在温室气体减排及非甲烷有机物污染修复中的应用.本文主要从铜的角度,概述了铜对甲烷氧化菌的分布和活性的影响,介绍了铜在调控甲烷单加氧酶的表达和活性以及调节甲烷氧化菌铜捕获系统方面的作用,并展望了其研究方向.     

陆地生态系统甲烷产生和氧化过程的微生物机理

陆地生态系统存在许多常年性或季节性缺氧环境,如:湿地、水稻土、湖泊沉积物、动物瘤胃、垃圾填埋场和厌氧生物反应器等。每年有大量有机物质进入这些环境,在缺氧条件下发生厌氧分解。甲烷是有机质厌氧分解的最终产物。产生的甲烷气体可通过缺氧-有氧界面释放到大气,产生温室效应,是重要的温室气体。产甲烷过程是缺氧环境中有机质分解的核心环节,而甲烷氧化是缺氧-有氧界面的重要微生物过程。甲烷的产生和氧化过程共同调控大气甲烷浓度,是全球碳循环不可分割的组成部分。对陆地生态系统甲烷产生和氧化过程的微生物机理研究进展进行了概要回顾和综述。主要内容包括:新型产甲烷古菌即第六和第七目产甲烷古菌和嗜冷嗜酸产甲烷古菌的发现;短链脂肪酸中间产物互营氧化过程与直接种间电子传递机制;新型甲烷氧化菌包括厌氧甲烷氧化菌和疣微菌属好氧甲烷氧化菌的发现;甲烷氧化菌生理生态与环境适应的新机制。这些研究进展显著拓展了人们对陆地生态系统甲烷产生和氧化机理的认识和理解。随着新一代土壤微生物研究技术的发展与应用,甲烷产生和氧化微生物研究领域将面临更多机遇和挑战,对未来发展趋势做了展望。     

填埋覆土甲烷氧化微生物及甲烷氧化作用机理研究进展

甲烷是一种长期存在于大气中的温室气体,它对温室效应的贡献率是二氧化碳的26倍.生活垃圾填埋场是大气甲烷的主要产生源之一,由其产生的甲烷约占全球甲烷排放总量的1.5%～15%.甲烷氧化微生物在调节全球甲烷平衡中起着重要作用.垃圾填埋场覆土具有相当强的甲烷氧化能力.填埋覆土甲烷氧化菌及其氧化作用机理的研究,已成为环境微生物学研究领域的热点之一.本文对生活垃圾填埋场填埋覆土中甲烷氧化微生物、甲烷氧化机理及动力学机制、甲烷与微量填埋气体的共氧化机制以及影响甲烷氧化的环境因子研究的最新进展进行综述,并对生活垃圾填埋场甲烷氧化微生物的研究进行展望.