水位下降对若尔盖泥炭地垂直剖面土壤甲烷产生及厌氧氧化潜势的影响

刘俊霞,薛 丹,黄新亚,刘建亮,高永恒,陈 槐,4, *

1 中国科学院成都生物研究所山地生态恢复与生物资源利用重点实验室, 成都 610041 2 中国科学院若尔盖泥炭地定位研究站, 红原 624400 3 中国科学院大学, 北京 100049 4 中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心, 北京 100101

据IPCC报告指出,目前全球范围内温室气体CH4排放量仅次于CO2排放量,甲烷由于其独特的分子结构,使得等摩尔甲烷产生的增温效应是二氧化碳的34倍[1]。因此,CH4一直以来都是环境生态领域的研究热点,也是环境保护等机构密切关注的重要温室气体之一。

若尔盖高寒泥炭地是我国重要的高原湿地。目前由于气候变暖,降雨减少等现象的加剧,若尔盖泥炭地水位不断下降,水位高低是衡量泥炭地是否退化的主要指标之一。同时,高原湿地对气候变化和人类活动响应敏感,增温会使得环境中微生物活性等迅速增强,主要是由于升温会促进湿地微生物的代谢,促进泥炭土壤的呼吸过程,进一步促进温室气体的排放,而深层作为有机质积累较为丰富的泥炭层,其甲烷产生量也要高于亚表层和表层。因此本文在水位降低、温度上升等气候变化背景下分析不同水位泥炭地甲烷产生及AOM潜势的大小,以及甲烷产生速率的温度敏感性,旨在探究水位下降和温度上升对泥炭地甲烷循环造成的影响。

1 实验样地概况

本实验采样点处于青藏高原东缘,若尔盖高原若柯坝泥炭地(33°04′ 06″N—33°04′ 04″N,102°34′ 31″E—102°34′ 33″E),位于四川省红原县。若尔盖泥炭地是中国最大的泥炭地分布区,覆盖面积约为4605 km2,平均泥炭深度为0.39 m(0.2—6.0 m),是中国泥炭地的重要组成部分,也是沼泽湿地国家级自然保护区。

若尔盖无一年四季的明显分别,大体上分为冷暖两季。该地区年均温为1.7℃,年内平均高温最高为11℃左右,一般处于7月份。生长季处于每年6—10月,平均温度可达8℃。若尔盖高原紫外线极强,对生物辐射性较大。年降雨量达640 mm左右,降雨主要分布在生长季[9]。若尔盖物种丰富、资源多样化,苔草是若尔盖的优势植物种类[10],另外还有藏嵩草、鹅绒委陵菜、火绒草等植物种。若尔盖具有丰富的泥炭资源,且碳储量较大,据Chen等(2014)估算得出,该地区总碳储量达0.477 Pg[11]。早期孙广友对若尔盖泥炭地研究发现,其泥炭沼泽面积及泥炭储量均处于我国首位[12]。

2 材料与方法

2.1 样品采集与处理

本实验样品采集于2018年10月份,处于生长季末期。根据本实验室样地布设的长期水位监控数据,选择具有年均水位差(低水位：-30 cm、高水位：0 cm)的两个点进行采样(表3)。采样时将地表植被去除,然后挖出1 m×1 m×1 m的剖面,用铲子随机取10 cm宽,15 cm长,1 m深土柱,然后以20 cm为一层进行深度分割,分割完立刻装入自封袋,并尽可能排尽自封袋内的空气,随机采集3个生物学重复,保存在4℃,带回实验室后-20℃存放。土壤过2 mm(10目)筛子,过筛时先将小土柱撕成小碎块,之后直接用湿筛法去除植物根系及其他植物残体,土壤过筛后用于实验物理化学性质的测定及培养实验。

2.2 土壤理化性质测定方法

DOC(可溶性有机碳,Dissolved Organic Carbon)浓度用TOC仪测定(Vario TOC,德国)[13]；不同形态氮素浓度用流动分析仪测定(SEAL AA3,德国)[14]；含水量用铝盒称重105℃烘干至恒重进行测定；铁离子含量用邻菲洛琳比色法测定[15]。

2.3 培养实验操作

将不同水位的每个深度土壤分别进行8℃和25℃培养进行甲烷产生实验,甲烷厌氧氧化实验只进行25℃培养(将甲烷产生和AOM进行对比的数据是选择25℃的甲烷产生结果)。实验具体操作为：取20.00 g左右泥炭土放于100 mL培养瓶中,甲烷产生实验加入1.2 mL甲烷氧化抑制剂(乙炔,C2H2),AOM实验加入40 mL浓度为60 mmol/L的甲烷产生抑制剂(二溴乙烷磺酸钠,SBES)。之后统一用丁基橡胶塞和铝帽密封,在瓶口插入一长一短两针,从长针通入高纯氦气(He,纯度 ≥ 99.999%)进行换气,维持恒定气流12—15 min,使培养瓶处于厌氧状态,静置培养瓶24 h,使得瓶内气体平衡。培养瓶内气体平衡24 h之后开始计时,称甲烷产生潜势培养的初始值,也即第0天。AOM培养实验平衡24 h之后等量置换10 mL高纯甲烷,并放入转速为150 r/min摇床培养箱,进行实验培养。后续培养过程中,分别在第0、1、2、3、4、5、6、7天同一时间用注射器等量置换(以高纯氦气为保护气)方法抽取顶空5 mL气体,用气相色谱(Agilent 7890A, Agilent Co,USA)测定气体中甲烷的浓度,并通过差值计算来确定产甲烷速率和AOM速率。由于水分对实验影响较大,因此实验过程中采用称重法进行水分的恒定保持,称重选择在每次采气之后,立即称量以维持原取土培养重量。

速率计算公式[16]为：

式中,FCH4为甲烷产生或AOM速率(μg g-1d-1)；dc/dt为甲烷浓度日变化量；V为培养瓶体积(L),即0.1 L；M为甲烷摩尔分子量(g/mol),即16.21 g/mol；V0为标准大气压下气体摩尔体积,即22.4 L/mol；m为土壤干重(g)；T0为绝对温度(273℃)；T为实验温度(8℃、25℃)；P为瓶内压强；P0为大气压强累积量计算公式为：

式中,CE为甲烷浓度变化累积量(μg/g),F表示甲烷浓度变化速率,i表示第一天开始；n为实验培养天数。

与之前不少研究学者对温度敏感性Q10值的比较方法一致,本论文采用同种方法对增温造成的泥炭地甲烷产生速率的变化值(文中称为Rate Change of Reaction,RCR)进行对比。对应计算公式[17]改编为：

式中,RCR表示温度升高下产甲烷速率的变化值,V25表示25℃培养过程中甲烷产生的平均速率,单位为μg g-1d-1；V8表示8℃培养过程中甲烷产生的平均速率,单位为μg g-1d-1。

对于全国泥炭地分布下的甲烷产生量及AOM量预估值,计算中所涉及的甲烷产生及AOM平均值所取深度为1 m,以本实验研究中的甲烷产生及AOM速率为标准,进行相关产生及AOM量预估值(Estimated Value,EV)的计算,对应的计算公式为：

EV=Vi×SSOC/350/Depth

式中,EV为对应预估值,Vi表示两水位平均甲烷产生量和平均AOM量,单位是μg/g,350表示泥炭土壤中平均有机碳含量,单位是g/kg,SSOC表示土壤有机碳储量,单位为t,Depth表示泥炭层厚度,单位为m。

2.4 数据分析

使用SPSS 18.0和Microsoft Office Excel 2016软件进行数据分析。通过单因素方差分析比较指标与甲烷产生和AOM之间的显著性差异,通过Pearson相关性分析比较基础理化指标对甲烷产生及AOM的影响。用Origin 2018软件进行图表制作。

3 结果与分析

3.1 不同水位泥炭地的基础理化指标随深度的变化

表1 不同水位泥炭地基础理化指标

3.2 深度对甲烷产生和厌氧氧化潜势的影响

25℃培养发现低水位泥炭地培养产甲烷累积量在40—60 cm泥炭层最高((0.17±0.01) μg/g),但与其他层比较无显著性变化(图1)；高水位培养时每个深度泥炭层之间甲烷产生累积量也没有显著性差异(P>0.05)(图1)。两水位比较可以看出,高水位泥炭地甲烷产量总体要高于低水位泥炭地。低水位泥炭地AOM累积量随深度的增加先减小后不断增加趋势,其中最深层(80—100 cm)泥炭地AOM累积量达(888.62±7.33) μg/g,与其他深度泥炭地AOM累积量呈极显著性差异(P<0.05)(图1)。高水位泥炭地AOM累积量在60—80 cm深度泥炭最低,仅(366.24±3.33) μg/g,最深层80—100 cm深度泥炭地AOM累积量最高,与40—60 cm深度无显著性差异。整体比较两水位不同垂直深度泥炭地AOM累积结果显示,除40—60 cm泥炭层外,其他泥炭层均表现为低水位泥炭地AOM量(574.01±4.31)—(888.62±7.33)μg/g显著高于高水位泥炭地AOM累积量(362.25±3.33)—(734.59±18.55)μg/g(P<0.05)(图1)。

图1 不同深度泥炭地甲烷产生及厌氧氧化累积量Fig.1 The cumulative of methane production and methane anaerobic oxidation in different depth

3.3 水位降低对甲烷产生和甲烷厌氧氧化潜势的影响

低水位泥炭土壤培养产甲烷累积量达(0.70±0.03) μg/g,高水位泥炭地土壤产甲烷累积量达(0.89±0.01) μg/g,即水位增高会显著促进若尔盖泥炭地产甲烷活动(图2)。而低水位泥炭地AOM累积量达到(3588.06±24.78) μg/g,要极显著高于高水位泥炭地AOM累积量((2829.93±35.99) μg/g)(P<0.05)(图2),说明泥炭地恢复(淹水培养实验)有利于AOM的发生。

图2 不同水位泥炭地甲烷产生及厌氧氧化累积量Fig.2 Cumulative of methane production and methane anaerobic oxidation in different water table

3.4 甲烷产生及厌氧氧化潜势与环境因子的相关性分析

表2 两水位泥炭地甲烷产生及AOM累积量与基础指标相关性

表3 野外试验站2016—2018年采样点水位监测数据

3.5 甲烷产生与甲烷厌氧氧化之间的变化趋势分析

低水位泥炭地在深度上的甲烷产生与AOM潜势比较结果发现,每层泥炭地甲烷的产生和AOM之间存在此消彼长趋势,即甲烷产生的泥炭层AOM在降低(图3)。高水位泥炭地深度上的比较发现,80—100 cm深度泥炭层的甲烷产生和AOM都增加,说明该泥炭层的产甲烷微生物和AOM微生物含量多或者活性较大(图3)。低水位泥炭地的甲烷产生速率随培养时间呈现缓慢减小后快速增大趋势,而AOM速率随时间的变化呈现急速减小后缓慢增加趋势,如果后续接着培养,有可能出现甲烷产生速率的急速增加,而AOM速率趋于稳定的结果(图3)。高水位泥炭地第一天AOM的作用强于甲烷产生,说明产甲烷菌对环境会存在一个适应阶段,但是随着培养时间的进行,甲烷产生和AOM可能都会有所增加(图3)。

图3 不同水位泥炭地甲烷产生与甲烷厌氧氧化速率对比Fig.3 Comparison of methane production and methane anaerobic oxidation with different water table

3.6 温度对甲烷产生的影响

两水位泥炭地总RCR比值显示,高水位泥炭地对温度升高的反应较为明显,其敏感系数为5.50,是低水位泥炭地的5.3倍,高水位泥炭地对增温的敏感性极显著高于低水位泥炭地对增温的敏感性(图4)(P<0.05)。对每个深度泥炭层的温度敏感性进行对比发现,整体上显示出0—20 cm深度泥炭层对增温的响应最为显著,该泥炭层高水位泥炭地的敏感性系数是低水位泥炭地的25.6倍(图4)。说明增温对高水位泥炭地表层影响最大。

图4 增温对两水位泥炭地甲烷产生速率变化的影响Fig.4 Effect of methane production rate change with raising temperature in different water table peatland

4 讨论与结论

4.1 甲烷产生潜势对水位及环境因子的响应

高水位泥炭地甲烷产生累积量显著高于低水位泥炭地,是因为高水位泥炭地厌氧环境更加充足,利于产甲烷菌的生存,能够促进甲烷的产生[18- 19],水位每增加10 cm,甲烷通量会随之升高1.3倍,且高水位泥炭地对气候变化较为敏感[20]。同时,王晓龙(2015)对若尔盖泥炭地CH4产生研究结果也得出,水位增加会使得甲烷的排放量一起增加[21]。本研究发现泥炭地产甲烷能力随深度的增加而增加,有研究指出,甲烷的产生主要依赖于原有环境中的有机质含量[22]。另有研究者对泥炭土壤产甲烷能力测定发现产甲烷能力随土壤深度加大而降低,并且5 cm以上是产甲烷的主要泥炭层[23]。Avery等2003年的研究也提出湿地0—10 cm深度是产甲烷的主要土壤层,主要是由于土壤层中产甲烷基质的不一致造成的[24]。本研究结果发现环境中含水量是影响甲烷产量的主要环境因子,主要是由于甲烷产生是有机质经过厌氧分解产生的,而水的存在能够为甲烷产生提供有利厌氧环境条件。有研究表明土壤中有机质含量越高,越有利于甲烷的产生,即DOC含量也是影响甲烷产量的重要因子(表2),因为DOC是环境中最容易被微生物所分解利用的物质,因此,DOC是产甲烷底物又是能量供应的来源[25]。AOM可以利用Fe3+作为电子受体[26],将CH4氧化为CO2,所以Fe3+含量对甲烷产量具有一定的抑制作用。

4.2 泥炭地AOM潜势对水位的响应

低水位泥炭地AOM累积量要大于高水位泥炭地AOM累积量,可能是因为低水位泥炭地中甲烷厌氧氧化菌的丰度和种类要高于高水位泥炭地,相关研究发现若尔盖泥炭地水位降低会使得反硝化型甲烷厌氧氧化菌的丰度增加,当水位从高水位降到低水位时,所测得的NC10门细菌的相对丰度从0.38%增加到3.26%[27],本实验中为低水位泥炭地提供的淹水培养环境,对甲烷厌氧氧化菌丰度更大的低水位泥炭地较为有利,因而出现低水位泥炭地AOM量比高水位泥炭地AOM量高的现象。低水位泥炭地中pH值是影响AOM的重要因子[28- 29]。本实验中为低水位泥炭地提供良好的AOM环境及底物、温度,能极大程度促进泥炭地AOM的发生,使该研究AOM速率要明显高于其他关于AOM速率的实验研究[29]。同时与大部分相关研究结果相似[30-31],本研究发现AOM潜势随培养时间的变化为先减小后增加,80—100 cm泥炭层中AOM量最高的原因,可能归因于在该环境中甲烷厌氧化微生物的活性较高[32]；但也有研究发现AOM速率随深度增加而急剧下降[33]。

4.3 电子受体含量与泥炭地AOM的关系

4.4 我国泥炭地甲烷产生及甲烷厌氧氧化潜势预估

根据1988年对我国泥炭地调查结果来看,泥炭地总面积达104万hm2,一共存有46.87亿t的泥炭土壤[41]。结合该研究中产甲烷速率计算,按两水位泥炭深度(100 cm)甲烷产生平均值(0.797±0.03) μg/g来计算,全国泥炭地甲烷产生潜势估计约3735.54 t CH4；结合研究中对AOM值计算,按平均值50 μg/g计算,全国泥炭地AOM大约消耗234.35万t CH4,该预估值要明显高于Gupta(2013)等人对北部泥炭地通过AOM途径所消耗的甲烷量[42],主要是因为该实验设置中外源添加CH4。根据中国泥炭地分布情况,采用他人研究中对AOM潜势的计算方法[42],计算出各个区域泥炭地甲烷产生潜势和AOM潜势预估值(表4)。结果表明,若尔盖泥炭地甲烷产生及厌氧氧化潜势在全国泥炭地中占比最大。

表4 我国泥炭地分布及其碳储量大小[41,43]

4.5 结论