浮萍塘碳排放的生态过程及其植物-微生物互作机理

Nowadays, global warming has become an issue highly concerned by the international community. Duckweed (Lemnaceae), as the smallest flowering floating aquatic macrophyte in the world, can rapidly grow in the polluted water and is widely distributed on the surface of lakes, ponds, wetlands、paddy fields and ditches. It has been showed that carbon emission was detected from the water bodies covered with duckweed (collectively called duckweed-base ponds), however, the effects and mechanism of key factors on carbon emission from duckweed-based ponds were not clear. This study aims to investigate the effects of key factors, including the coverage density, water depth, nutrition level and temperature, on duckweed growth and debris depositing, physiochemical properties, carbon（CH4 and CO2）emission and their seasonal changes in the ten duckweed-based ponds (6 m2) in the four seasons respectively; to investigate the spatial and temporal distributions of microbial community, especially the microbial functional groups related to CH4 cycle by using the pyrosequencing and real-time PCR; to reveal how the key factors affect plant, microorganism and the interaction between them, and then drive the ecological process of carbon emissions. This study has important scientific research value for the reveal of the process and mechanism of carbon emissions, and has important practical guiding value for the evaluation of the greenhouse effect contribution from water bodies covered with duckweed and for the management and regulating water bodies covered with duckweed for the purpose of greenhouse gas emissions reduction.

全球气候变暖已成为当今国际社会高度关注的问题。浮萍，作为世界上最小的开花浮水植物，能在受污水体中快速生长，广泛分布于各种湖泊、池塘、湿地、稻田及沟渠表面。研究表明，覆盖浮萍的水体（统称浮萍塘）具有碳排放特性，而影响浮萍塘碳排放过程的关键因素及其机理仍不知晓。本研究拟以人工构建的10个浮萍塘（表面积6 m2）为研究对象，在一年内的不同季节，研究浮萍覆盖密度、水深、营养状况、温度对浮萍生长和残体沉积、浮萍塘理化特征和碳排放（CO2和CH4）过程的影响及其季节性变化规律；通过高通量测序和荧光定量PCR技术，研究浮萍塘微生物群落，尤其是CH4循环微生物功能群的时空分布，探讨关键控制因素如何通过影响浮萍塘植物、微生物及其他们之间的相互作用进而驱动碳排放的生态过程。该研究对浮萍塘碳排放过程和机制的揭示具有重要科学意义；对大量浮萍覆盖水体温室效应的贡献评估及其温室气体减排的管理调控具有重要现实指导意义。

浮萍，作为全球广泛分布的小型浮水植物，因能直接吸收水体营养物并生产富含蛋白淀粉的高品质生物质，在水体污染治理及生物质生产中应用潜力巨大。有研究表明，浮萍塘具有碳（CO2和CH4）排放现象，但排放特征及其影响因素却了解较少。本研究以位于昆明滇池湖畔并连续运行一年的多个中试浮萍塘为对象，研究浮萍无打捞自然覆盖、浮萍覆盖密度、底泥、进水营养负荷、水深等对浮萍塘污染物去除及碳排放过程的影响及其季节性变化规律，通过高通量测序和荧光定量PCR技术，研究浮萍塘微生物群落及CH4循环相关菌群的时空分布，探讨上述因素如何通过影响植物和微生物进而驱动碳排放的生态过程。结果表明：对于浮萍覆盖，无打捞的长期覆盖不利于浮萍生长和污染物去除，并能显著促进CH4排放，导致浮萍塘全球变暖潜能（GWP）增加。通过定期打捞，可有效提高污染物去除并降低碳排放通量，而且高覆盖密度对污染物去除及CH4减排更有利，可有效降低浮萍塘GWP；对于底泥，其既不利于浮萍塘污染物去除，也能提高CO2和CH4的排放，增加浮萍塘GWP；对于营养，高的营养负荷虽未显著影响浮萍塘中CO2和CH4的排放，但却不利于污染物的去除；对于水深，进水表面积负荷相同的前提下，高水深有利于污染物去除和CH4减排。微生物群落研究发现，浮萍覆盖可增加底泥中古菌群落的稳定性及产甲烷菌的丰度，促进甲烷产生，但也能增加水体中甲烷氧化菌的丰度，加之浮萍附生菌群中含有大量甲烷氧化菌，使得CH4排放无明显增加。此外，浮萍塘的底泥中含有种类丰富的产甲烷古菌并导致大量甲烷的产生，底泥虽能增加水体甲烷氧化菌丰度，但不能增加浮萍附生甲烷氧化菌丰度，使得CH4排放明显增多。总体而言，浮萍塘中浮萍的光合吸收使CO2排放通量较低，微生物的作用使CH4成为浮萍塘GWP的最大贡献者，浮萍塘的实际应用中需适当增加覆盖密度，降低进水负荷，增加水深，并定期清理底泥，以获得更理想的污染物去除和CH4减排效果。该研究结果对浮萍塘的应用具有重要的现实指导意义。