不同植被类型自然湿地甲烷排放对大气CO2浓度升高响应机制研究

湿地在全球甲烷排放中起着重要作用，随着大气CO2浓度升高，未来湿地甲烷排放将如何变化，增加还是减少，作用机制是什么，目前尚无定论。本项目利用业已建立的开顶式CO2熏气系统，以毛果苔草和小叶章湿地为研究对象，监测甲烷排放季节性变化规律，明确大气CO2浓度升高对不同植被类型湿地甲烷排放的影响效应；同步测定植物性状、土壤温度和Eh、水中甲烷、活性有机碳和乙酸含量等，解析不同大气CO2浓度下湿地甲烷排放季节性变化的关键控制因素；采用室内培养试验并与13C示踪和分子生物学等技术相结合，研究大气CO2浓度升高对湿地甲烷产生和氧化潜力、土壤甲烷产生菌和氧化菌、植物通气组织中甲烷氧化及甲烷氧化菌数量和群落结构的影响，解析不同植被类型湿地甲烷排放对大气CO2浓度升高响应差异的微生物机制，阐明植物传输过程中甲烷氧化在湿地甲烷排放中的重要性，为评估未来大气CO2浓度升高对湿地甲烷排放影响效应提供科学依据。

项目围绕自然湿地甲烷(CH4)排放对大气CO2浓度升高的响应展开研究，重点研究了：(1)三江平原毛果苔草和小叶章湿地CH4产生途径和产甲烷功能菌的差异；(2)大气CO2浓度升高对湿地CH4排放的影响效应及其关键控制因素；(3)大气CO2浓度升高对气体传输过程中CH4氧化的影响及其微生物机制。研究工作紧紧围绕项目计划任务书载明的内容展开，已经达成预期目标。共发表论文14篇，其中SCI收录论文12篇，培养博士研究生3名，博士后1名。主要进展如下：(1)利用13C示踪和稳定性同位素核酸探针(DNA-SIP)等技术，发现毛果苔草主要通过H2/CO2途径产CH4，小叶章湿地则是乙酸途径，毛果苔草湿地产甲烷功能菌主要为氢营养型的Fen Cluster，小叶章湿地为氢营养型Fen Cluster和Methanobacterium及利用乙酸的Methanosarcinaceae；(2)利用Mesocosm和开顶式CO2熏气系统，提升大气CO2浓度到700 ppm，研究了对两种植被类型湿地CH4排放的影响。大气CO2浓度升高促进了小叶章湿地CH4排放，相反抑制了毛果苔草湿地CH4排放，表明大气CO2浓度升高未必一定会诱导自然湿地CH4排放能力的增强。CO2浓度升高条件下，毛果苔草湿地根际土壤CH4产生潜力无显著变化，但根系、根际和下层土壤的CH4氧化潜力分别增加了19.5%、33.8%和74.0%，大气CO2浓度升高通过刺激植物分泌O2，增强CH4氧化可能是毛果苔草CH4排放量降低的主要原因；（3）利用高通量测序技术，研究了大气CO2浓度升高对毛果苔草湿地植物和土壤中甲烷氧化菌数量和群落结构的影响。发现CO2浓度升高显著增加了根系和根际土壤中甲烷氧化菌数量，诱导优势甲烷氧化菌由Type II型向更适应于高O2环境的Type I型演替，证实了CO2浓度升高后，提高植物分泌O2能力，增加Type I型甲烷氧化菌的数量，刺激CH4氧化，最终导致CH4排放量降低。