青藏高原三个盐碱湖的产甲烷菌群和产甲烷代谢途径分析

【目的】分析青藏高原不同类型盐碱湖中的优势产甲烷菌群和优势产甲烷代谢途径。【方法】以不同盐度和植被类型的公珠错、昆仲错和无植被的兹格塘错的沉积物为研究对象,通过高通量测序和q PCR定量古菌16S r RNA多样性分析优势古菌类群;模拟原位盐浓度及p H,比较不同产甲烷底物(甲醇、三甲胺、乙酸和H_2/CO_2)富集沉积物的产甲烷速率,分析其优势产甲烷菌代谢类型。通过添加产甲烷抑制剂(2-溴乙烷磺酸盐),检测沉积物中产甲烷底物积累,确定不同盐碱湖中主要的产甲烷途径。【结果】昆仲错的优势菌群包括甲基/乙酸型的甲烷八叠球菌科(Methanosarcinaceae,11%),乙酸型的甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae,7.9%)和氢型甲烷菌甲烷杆菌目(Methanomicrobiales,7.4%);公珠错和兹格塘错的优势菌群为甲烷鬃菌科(Methanosaetaceae)分别占15%和15.3%,及甲烷杆菌属(Methanobacterium)和甲基型的甲烷叶菌属(Methanolobus)。公珠错和昆仲错分别以乙酸和甲醇产甲烷速率最高,而兹格塘错从不同底物产甲烷速率无差异。抑制甲烷产生后,公珠错主要积累乙酸,昆仲错主要积累甲醇;兹格塘错不仅甲烷排放低,也无产甲烷物质显著积累。【结论】昆仲错沉积物中的甲烷主要来自甲醇,公珠错中的甲烷主要来自乙酸,而兹格塘错产甲烷和底物积累不活跃。因而推测高原盐碱湖主要的产甲烷途径和菌群可能与周围植被类型的相关性更高,而与盐度的直接相关性较低。     

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.     

闽江口芦苇沼泽湿地土壤产甲烷菌群落结构的垂直分布

应用PCR-RFLP技术及测序分析对闽江口芦苇湿地土壤产甲烷菌群落结构的垂直分布特征进行了研究。在构建的6个克隆文库中,每个克隆文库随机挑选100个克隆进行菌落PCR验证,共得到591个阳性克隆。PCR产物经限制性内切酶MspⅠ进行RFLP分析后得到37个不同的分类操作单元(OTUs)。对37个克隆子进行了序列测定,与GenBank数据库中的序列进行比对,最近相似性在91%—99%之间。RFLP分析和系统发育分析表明,闽江口芦苇湿地土壤中产甲烷菌群落包括3大类群:甲烷杆菌目(Methanobacteriales)、甲烷微菌目(Methanomirobiales)和甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)。不同土壤深度中产甲烷菌群落的分布呈现出不同的特征。土壤表层(0—10 cm)优势产甲烷菌类群为Methanoregula,约占76%;10—20 cm土层主要的产甲烷菌类群为Methanolinea和Methanoregula,分别约占23%和29%;20—30cm土层优势的产甲烷菌类群为Methanolinea,约占66%。Shannon指数(H’)和Simpson多样性指教(D)表明,10—20cm土层产甲烷菌多样性高于土壤表层(0—10 cm)和20—30 cm土层。37个测序OTUs中有26个OTUs属于不可培养的产甲烷菌序列,表明闽江口芦苇湿地土壤中存在大量不可培养的产甲烷菌。     

扎龙湿地异质生境芦苇种群根茎动态及年龄结构

无性系植物根茎不仅具有营养繁殖和扩展种群的功能,也是无性系家族中芽和分株生理整合的通道。采用单位土体挖掘取样,对扎龙湿地单优种群落芦苇种群根茎进行调查,比较了湿生生境和水生生境根茎长度、生物量和干物质贮量的季节变化。结果表明:芦苇种群根茎长度、生物量和干物质贮量均以湿生生境显著大于水生生境;8月前,根茎长度缓慢增加,8月后,根茎长度迅速增加,以3龄最长,6龄最短;根茎生物量、干物质贮量先下降后上升,8月最低,至10月休眠期均已超过营养生长初期,生物量以3龄最大,1龄最小,干物质贮量以5龄最高,1龄最低;不同龄级根茎长度及年龄谱与月份间呈线性相关(R~20.81,P0.05),不同龄级根茎生物量与月份间呈二次曲线关系(R~20.98,P0.05),生物量年龄谱与月份间呈线性相关(R~20.80,P0.05),5个生育期根茎干物质贮量与龄级之间呈二次曲线关系(R~20.86,P0.05)。芦苇种群根茎长度、生物量、干物质贮量有着相同的季节变化规律,不同龄级根茎的寿命与养分的输出消耗和养分的再输入补偿密切相关。整个生育期内,生境异质性对芦苇种群根茎动态及年龄结构的影响均存在,且引起的差异也相对较稳定。     

扎龙湿地芦苇分株生态可塑性及其对土壤因子的响应

扎龙湿地的芦苇既可形成大面积的单优群落,也可形成不同群落斑块。采用大样本抽样调查与统计分析方法,对湿地内水生生境、湿生生境、旱生生境和盐碱生境芦苇种群分株高度和生物量进行比较。结果表明,6—10月份,4个生境芦苇种群分株高度及生物量均以水生生境最高,盐碱生境最低,水生生境株高为盐碱生境的1.5—2.3倍,分株生物量为2.0—5.1倍,生境间的差异性以及差异序位均相对稳定。4个生境株高生境间变异系数(19.45%—31.56%)均高于生境内变异系数(8.07%—17.61%),分株高度在生境间的可塑性更大;分株生物量中水生生境、湿生生境和盐碱生境3个生境间的变异系数(33.43%—55.61%)均低于生境内变异系数(44.85%—79.82%),分株生物量在生境内的可塑性更大。不同生境条件下芦苇种群分株,在生长和生产上均存在较大的生态可塑性,表现出明显的环境效应,其中土壤含水量是该地区芦苇分株生态可塑性变异的主要驱动因子(R0.80),为正向驱动。     

人工和天然湿地芦苇根际土壤细菌群落结构多样性的比较

为认识人工湿地运行初期根际土壤细菌群落的结构多样性,本研究采用聚合酶链式反应-变性梯度凝胶电泳（PCR-DGGE）的方法,比较了嘉兴石臼漾人工构筑生态湿地和白洋淀天然湿地府河河口区域芦苇根际土壤的细菌群落结构多样性。研究结果显示,嘉兴石臼漾湿地在运行初期（1~1.5年）,根际土壤细菌的物种丰富度已与白洋淀湿地相近,但香农指数和均匀度指数均显著低于白洋淀湿地;随着污染物浓度的降低,土壤细菌群落基因型多样性指数增大。     

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.     

扎龙湿地藻类优势种生态位及其种间联结性动态分析

为了解扎龙湿地藻类群落结构的季节特征和演替规律,对扎龙湿地藻类群落进行了分析,主要涉及藻类优势度、生态位、MFG功能群划分、生态位重叠值及联结系数分析。结果表明：(1)在检出的8门311种藻类中,夏季种类丰富度最高,全年优势种为狭形纤维藻和啮蚀隐藻。(2)优势种种类和密度季节性差异较大,春季以金藻-绿藻种类为主,夏季以绿藻-隐藻种类为主,秋季以隐藻-绿藻种类为主。(3)生态位宽度值与MFG功能群划分结合分析表明,优势种可分为3个大类别,不同种类对资源利用情况的差异较大,各季节广生态位种能较好的反映扎龙湿地水体环境的季节变化趋势。(4)生态位重叠值在不同季节上有较大差异,O_ik>0.6的占比分别为42.86%(春)、28.57%(夏)和25.00%(秋),表明春季优势种种间资源的竞争最为突出,种间竞争强于夏、秋两季。(5)种间联结性检验结果显示,扎龙湿地藻类优势种间总体联结上呈正关联关系,但是种间联结较为松散,种与种之间相对独立。研究表明,扎龙湿地藻类群落结构生态位测度均存在明显的季节波动,较好反映出水环境季节变化特征,可用来指示湿地水体环境的变化。     

扎龙湿地不同生境芦苇种群根茎数量特征及动态

采用单位土体取样,计测长度和生物量的调查与统计方法,对扎龙湿地保护区4个生境芦苇种群根茎数量特征进行比较分析。结果表明,芦苇5月10日左右返青后进入营养生长期,根茎长度6—8月份缓慢增加,8—10月份显著增加,后期是前期的3.5—10.3倍,生长季中后期是种群新根茎补充和生长的主要时期,不仅实现了种群空间扩展,并为营养繁殖储备更多繁殖芽;根茎生物量和干物质贮量6—8月份逐渐减少,8—10月份又逐渐增加,均以生长季末期的10月份最大,并均显著地(P0.05)高于其他月份,种群根茎养分的消耗主要供给根茎芽的萌发和幼株生长,根茎养分的储藏又为翌年种群的更新及扩展提供物质保障,种群对地下根茎存在明显的养分"超补偿性"贮藏现象。种群根茎长度和生物量均以湿生生境最大,依次为旱生生境、水生生境,盐碱生境最小,根茎干物质贮量以旱生生境最大,依次为湿生生境、水生生境,盐碱生境最小。种群根茎长度与返青后实际生长时间之间均较好地符合直线函数关系,种群根茎生物量和干物质贮量与生长时间之间较好地符合二次曲线函数关系,R2在0.804—0.997之间,拟合方程均达到了显著或极显著(P0.01)水平。4个生境芦苇种群在根茎长度、生物量、干物质贮量等数量特征均表现出由遗传因素控制的比较稳定的季节动态规律,在生境间的差异及其差异序位又均基本稳定,均表现出明显的土壤因子环境效应,其中土壤含水量、有机质、速效氮为正向驱动,p H、速效磷为负向驱动,土壤含水量、p H对根茎数量特征的驱动作用更突出。     

扎龙湿地保护区异质生境芦苇种群分株构件的数量特征

采用单位面积取样,计数和测量的调查与统计方法,对扎龙湿地保护区4个生境单优群落芦苇种群分株构件数量特征进行比较分析。结果表明,4个生境芦苇种群从5月10日左右返青后进入营养生长期,分株高度和分株密度均持续增加到生殖生长初期的8月份,其中6-8月份差异均达到显著水平(P0.05),8-10月份差异均未达到显著水平(P0.05),芦苇进入生殖生长期后,分株便停止高度生长,地下芽的输出也不再形成分株补充现实种群;分株生物量和种群生物量均持续增加到生殖生长旺盛期的9月份,至休眠期的10月份均有所降低,各月份间的差异均达到显著水平,芦苇种群在生长季末期,具有将生产的物质分配转移到地下储藏与营养繁殖器官的形成与生长上的特性。芦苇种群分株数量特征与返青后实际生长时间之间均较好地符合对数函数关系,R~2在0.818-0.994之间,拟合方程均达到了P0.05的显著水平。4个生境芦苇种群分株密度以湿生生境最大,依次为水生生境、旱生生境,盐碱生境最小,分株高度、分株生物量和种群生物量均以水生生境最大,依次为湿生生境、旱生生境,盐碱生境最小。因此,4个生境芦苇种群分株构件数量特征均表现出基本一致的生育期节律性,同时,芦苇种群的个体生长和种群动态存在明显的环境效应,土壤含水量、pH是影响该地区芦苇分株数量特征的主要因子。     

扎龙湿地生态系统服务价值评价

从避免重复计算的角度出发,将湿地生态系统服务分为最终服务和中间服务两部分,以最终服务的价值作为湿地生态系统服务的总价值。以扎龙湿地为例,其最终服务包括物质生产、土壤保持、水质净化、气候调节、固碳、调蓄洪水、大气调节、休闲旅游、科研教育和授粉服务,中间服务包括净初级生产力、营养循环、涵养水源、地下水补给和生物多样性维持服务,采用市场价值法、替代成本法和旅行费用法等生态经济学方法对扎龙湿地的生态系统服务进行了评价。结果表明,2011年扎龙湿地生态系统服务总价值为679.4亿元,中间服务价值为471.5亿元,各项最终服务的价值大小为气候调节调蓄洪水大气调节固碳休闲旅游授粉服务物质生产水质净化科研教育土壤保持。扎龙湿地不仅是重要的蓄洪区和泥碳储存地,在区域气候调节方面也起着巨大的作用。针对扎龙湿地的管理,应该保护和恢复湿地面积,同时注意适当的增加旅游。     

Methanogenesis at low temperatures by microflora of tundra wetland soil

Active methanogenesis from organic matter contained in soil samples from tundra wetland occurred even at 6 °C. Methane was the only end product in balanced microbial community with H₂/CO₂ as a substrate, besides acetate was produced as an intermediate at temperatures below 10°C. The activity of different microbial groups of methanogenic community in the temperature range of 6–28 °C was investigated using 5% of tundra soil as inoculum. Anaerobic microflora of tundra wetland fermented different organic compounds with formation of hydrogen, volatile fatty acids (VFA) and alcohols. Methane was produced at the second step. Homoacetogenic and methanogenic bacteria competed for such substrates as hydrogen, formate, carbon monoxide and methanol. Acetogens out competed methanogens in an excess of substrate and low density of microbial population. Kinetic analysis of the results confirmed the prevalence of hydrogen acetogenesis on methanogenesis. Pure culture of acetogenic bacteria was isolated at 6 °C. Dilution of tundra soil and supply with the excess of substrate disbalanced the methanoigenic microbial community. It resulted in accumulation of acetate and other VFA. In balanced microbial community obviously autotrophic methanogens keep hydrogen concentration below a threshold for syntrophic degradation of VFA. Accumulation of acetate- and H₂/CO₂-utilising methanogens should be very important in methanogenic microbial community operating at low temperatures.     

Characteristics and metabolic patterns of soil methanogenic archaea communities in the high‐latitude natural forested wetlands of China

Soil methanogenic microorganisms are one of the primary methane‐producing microbes in wetlands. However, we still poorly understand the community characteristic and metabolic patterns of these microorganisms according to vegetation type and seasonal changes. Therefore, to better elucidate the effects of the vegetation type and seasonal factors on the methanogenic community structure and metabolic patterns, we detected the characteristics of the soil methanogenic mcrA gene from three types of natural wetlands in different seasons in the Xiaoxing''an Mountain region, China. The results indicated that the distribution of Methanobacteriaceae (hydrogenotrophic methanogens) was higher in winter, while Methanosarcinaceae and Methanosaetaceae accounted for a higher proportion in summer. Hydrogenotrophic methanogenesis was the dominant trophic pattern in each wetland. The results of principal coordinate analysis and cluster analysis showed that the vegetation type considerably influenced the methanogenic community composition. The methanogenic community structure in the Betula platyphylla–Larix gmelinii wetland was relatively different from the structure of the other two wetland types. Indicator species analysis further demonstrated that the corresponding species of indicator operational taxonomic units from the Alnus sibirica wetland and the Betula ovalifolia wetland were similar. Network analysis showed that cooperative and competitive relationships exist both within and between the same or different trophic methanogens. The core methanogens with higher abundance in each wetland were conducive to the adaptation to environmental disturbances. This information is crucial for the assessment of metabolic patterns of soil methanogenic archaea and future fluxes in the wetlands of the Xiaoxing''an Mountain region given their vulnerability.     

扎龙湿地不同生境芦苇功能性状变异及其对土壤因子的响应

物种的遗传特征和外在环境条件的差异共同决定了植物功能性状的表达,植物功能性状可以反映物种对环境条件的适应策略。采用大样本抽样调查与统计分析方法,比较研究扎龙湿地4种生境（盐碱生境、旱生生境、湿生生境和水生生境）芦苇分株和叶功能性状,分析不同生境芦苇功能性状的分异规律及其对土壤因子的响应。结果表明：（1）不同生境芦苇功能性状均表现出中等程度变异。其中分株和叶性状均以盐碱生境最低（P<0.05）,分株及除叶面积和比叶面积以外的叶性状均以水生生境最高;株高和株重在种群内的变异系数为15.96%-48.61%和38.65%-87.82%,种群间的变异系数为46.58%和66.39%;叶性状在种群内的变异系数为13.21%-72.37%,种群间的变异系数为26.46%-57.03%;（2）不同生境芦苇功能性状间存在协同变化特征。芦苇的株高、株重、叶长、叶宽、叶面积和叶重之间均呈极显著正相关关系（P<0.01）,比叶面积与其他性状的相关性因生境不同存在一定变化;（3）不同生境芦苇的原位土壤因子表现出异质性特征,芦苇功能性状的变异是含水量、pH、有机质和速效氮等土壤因子综合作用的结果。其中含水量、有机质和速效氮为正向驱动,而pH为负向驱动。因此,芦苇通过自我调节功能性状更好地适应不同的生存环境,局域尺度不同生境的土壤因子是引起芦苇功能性状产生分异的导因。     

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。     

土地利用/覆被变化扎龙湿地蒸散发量及生态需水量的遥感估算

地表蒸散发量是影响湿地水热平衡的主要因素,也是水分损失的主要途径,对湿地生态需水量的合理确定和水资源的有效管理具有重要意义。借助遥感和GIS技术,利用2002、2010、2016年34景Landsat影像,基于时序NDVI数据对湿地下垫面物候特征的定量表征,准确获取了扎龙湿地保护区3个时期土地利用/覆被的动态变化信息。选用物理基础较好且应用广泛的SEBAL模型,估算了湿地的瞬时蒸散发量,并结合站点气象数据,实现了湿地蒸散发量在时间尺度上的扩展,分别得到日、月、年尺度的湿地蒸散发量,深入探究了扎龙湿地蒸散发的时空分布特征;最后从湿地湖泡需水量、植物需水量及生物栖息地需水量3个方面,定量估算出扎龙湿地3个时期的现状生态需水量。研究发现：扎龙湿地的土地覆被类型主要以芦苇沼泽、草地和耕地为主,其中芦苇沼泽分布占绝对优势,且2002-2016年持续增加了205.82 km²;草地、耕地呈持续减少态势,分别减少了119.35 km²和95.96km²,表明2002-2016年扎龙湿地生态系统呈恢复态势;湿地保护区蒸散发量年内均大致呈单峰型分布,符合夏季 > 春季 > 秋季 > 冬季的规律,在年际上呈现明显的递增趋势,年蒸散发量由2002年的518.87mm增加到2016年的625.98mm,增加了20.64%。为满足湿地内的生态消耗,总体上2002-2016年湿地的生态需水量也相应的增加,保护区适宜生态需水量的变动范围为5.40亿-7.08亿m³,可以维持湿地湖泊、植被、动植物栖息地的健康态势。维持核心区健康状态的最小生态需水量变化范围为2.71亿-3.32亿m³。随着遥感数据时空分辨率的提高,基于蒸散发量反演的湿地生态需水量估算将更加实用和准确,为湿地保护区制定科学合理的补水方案提供有效的技术支撑。     

扎龙湿地不同生境芦苇分株的形态特征及生物量分配的异速关系

不同环境条件下的植物个体可以表现出形态特征的分异和物质分配的权衡与调整。采用大样本抽样调查与统计分析方法,比较研究扎龙湿地不同生境芦苇(Phragmites Australis)生殖株和营养株的形态特征以及生物量分配的异速关系。结果表明：在9月末,盐碱生境、旱生生境、湿生生境和水生生境芦苇分株的生长表现出较大的生态可塑性,株高和株重均以盐碱生境最小,水生生境最大,最大值与最小值的比值分别为1.3—3.3和1.8—5.1,分株生长在种群间的变异度高于种群内,与营养株相比,生殖株的变异度较低;分株的支持分配与生产分配的比值为1.8—4.2,生产分配以盐碱生境最高,以水生生境最低,而支持分配和生殖分配表现与生产分配相反的序位;生殖株的花序长和花序重与株高间呈直线函数形式增长,株高和株重低于种群平均值的20%和35%的分株不进行有性生殖;叶重、叶鞘和茎重以及分株重与株高间呈幂函数形式的异速生长关系。植物通过改变个体的形态特征以及调整构件间生物量分配适应不同环境,而受遗传因素控制的构件间生长关系却相对稳定。