土壤有机碳对亚热带森林土壤甲烷氧化活性的调控作用

Methanotrophic bacteria (MB) in forest soils are specialized oligotrophs, and showes a higher substrate affinity for CH4 than that of cultivated MB. No pure cultures of high-affinity MB are obtained from upland soils despite the devoted effort. There are so many gaps in the knowledge of regulations of high-affinity MB by environmental factors. In this study, we will determine the utilization of non-methane carbon source by MB in sub-tropic forests soils through combining stable isotope probing with magnetic-bead capture hybridization of 16S rRNA. Also we will study the fine scale variability of methane oxidation activity and explore how it relates to soil carbon matter in sub-tropic forest soils. These results will provide an insight into the ecological and physiological characteristics of high-affinity MB and guide us to find the ways to improve the capacity of CH4 uptake by soils.

森林土壤甲烷氧化菌（MB）具有极高的甲烷亲和性，在适宜水温条件下能利用低浓度的大气CH4作为碳源和能量来源。过去30年来，许多研究者致力于获得森林土壤MB的纯培养物，但均未获得成功。这主要源于对我们对这类高亲和性MB的生理生态学特征及调控因子的认识还存在很多不足之处。本研究将采用磁珠捕获16S rRNA结合μEA-IRMS技术、碳源添加试验和田间小尺度空间变异分析的方法，研究亚热带森林土壤MB对非甲烷碳源的利用程度、外源碳物质对甲烷氧化活性的影响、土壤碳对甲烷氧化活性小尺度变异的调节作用。研究结果将揭示森林土壤碳对甲烷氧化活性的调控作用和机理，加深我们对森林土壤MB的生理生态学特征认识，为获得高亲和性甲MB的纯培养物、寻找提高土壤甲烷氧化效率的手段和方法提供理论依据。

碳是森林土壤中最丰富的元素，微生物对土壤碳源的竞争力是其种群大小的关键因素。此外，土壤中的一些含碳化合物，如酚、酸类化合物是植物和微生物的生理活性调节物质。土壤碳对森林土壤甲烷氧化活性可能起一个重要而复杂的调节作用。本本研究以万木林自然保护区的细柄阿丁枫林为研究对象，研究了森林土壤甲烷氧化活性在土层深度、坡位和离树干不同距离三个小尺度上的空间变异性，同时探讨了土壤碳组分和碳物质对甲烷氧化活性空间分布的影响。结果表明：0-15cm土层范围内，3-6 cm土层甲烷氧化活性平均值最高，达到0.0464 μg·kg-1·d-1；最低值在0-3 cm土层 (0.0398 μg·kg-1·d-1)，甲烷氧化氧化活性在6-15 cm逐渐降低。土壤甲烷氧化活性平均值为上坡（0.0477μg·kg-1·d-1）＞中坡（0.0475μg·kg-1·d-1）＞低坡（0.0373μg·kg-1·d-1），呈现从上坡到下坡逐渐降低的趋势。离树干距离为3.0 m处甲烷氧化活性最大，为0.0473μg·kg-1·d-1。相关分析表明，甲烷氧化活性与总碳、总氮显著负相关。腐殖酸、纤维素和葡萄糖、蒎烯添加均未对甲烷氧化活性有显著效果。低浓度的甲醇添加（81.7 nmol·g-1dw）对甲烷氧化活性产生立即抑制作用，当乙酸添加量达到816.7 nmol·g-1dw时，甲烷氧化活性被抑制了75%，此时乙酸的添加量接近森林土壤乙酸含量上限。土壤VOCs（挥发性有机物）排放中也显示甲醇和乙酸通量与甲烷氧化活性相关。这表明甲醇和乙酸对森林土壤甲烷氧化活性有重要调节作用。