人工湿地植物多样性强化甲烷释放的机理研究

The relationship between biodiversity and ecosystem functioning is the major scientific issue of the present day faced by mankind. Previous studies of the program applicant have shown that plant diversity can enhance methane (CH4) emission in constructed wetlands (CWs). Evaluation experts highly evaluated the research results, and agreed that the mechanism of plant diversity increased CH4 emission deserve further studying. This program intends to take CWs as the study platform, take plant diversity as the processing means, to explores the mechanisms of plant diversity increased CH4 emission, vertify the universality of plant diversity increased CH4 emission, investigate the possibility of increased biomass offset the increased CH4 release through plant diversity if we use plant biomass to produce biofuel. Using the stable carbon isotope technique to elucidate whether plants produce CH4? How much the CH4 emission rate? Whether there are differences among species? Using the methods of stable carbon isotope and static chamber-gas chromatography to distinguish the microbial source of CH4 production, oxidation and transmission process, to explore mechanisms of CH4 process under different levels of diversity, and promote the theoretical studies of biodiversity and ecosystem functioning. This study is of theoretical significance to clarify the scientific problems, on the other hand, the results provide scientific basis for plant diversity disposition of CWs, and have practical significance on operation management of CWs.

生物多样性与生态系统功能的关系是当前人类社会面临的重大科学问题。本项目申请人前期的研究发现，植物多样性强化人工湿地（CWs）的甲烷（CH4）释放。论文评审专家高度评价了该研究成果，并且一致认为植物多样性强化CH4释放的机理值得进一步研究。本项目拟以CWs为研究平台，以植物多样性配置为处理手段，探索多样性强化CH4释放的机理；验证多样性强化CH4释放的普遍性；探讨将植物生物量生产生物能源，多样性增加的生物量抵消多样性强化的CH4释放的可能性。利用稳定性碳同位素技术阐明植物体自身是否产生CH4？强度多大？有无物种差异？利用稳定性碳同位素方法和封闭箱-气相色谱法区分微生物源的CH4产生、氧化和传输过程。探讨不同多样性水平下CH4过程机理，推进生物多样性与生态系统功能的理论研究。本研究一方面具有弄清科学问题的理论意义；另一方面研究结果为CWs植物多样性配置提供科学依据，对CWs运行管理有现实意义。

人工湿地植物多样性可以提高人工湿地生态系统的甲烷释放，但其机理未知。本项目通过选取芦苇、香蒲、千屈菜和海寿花四种植物，设置4个物种丰富度梯度（分别有1, 2, 3和4种植物）和15个群落组合，测定甲烷释放强度、甲烷过程、甲烷过程相关理化性质和植物生理生态特征等，分析植物多样性对甲烷释放的机理。结果如下：（1）植物丰富度强化系统甲烷释放。系统甲烷释放与物种丰富度呈显著正相关，从1种到4种的排放范围为5.4 – 10.4 mg CH4 m-2 d-1。（2）植物丰富度不影响土壤甲烷释放。土壤甲烷释放与物种丰富度呈显著正相关，从1种到4种的排放范围为2.4 – 3.0 mg CH4 m-2 d-1。（3）植物丰富度提高产甲烷菌功能基因mcrA绝对丰度。产甲烷菌功能基因mcrA丰度与物种丰富度呈显著正相关，从1种到4种的范围为1.1 × 105 – 1.1 × 106 copies g-1 soil。（4）植物丰富度不影响甲烷氧化菌功能基因pmoA绝对丰度。甲烷氧化菌功能基因pmoA丰度与物种丰富度不相关，从1种到4种的范围为3.2 × 105 – 2.0 × 106 copies g-1 soil。（5）植物丰富度强化植物传输甲烷。（6）植物丰富度不影响出水总有机碳（TOC）浓度。（7）植物丰富度对出水溶解氧含量、pH和温度均无显著影响。（8）植物丰富度提高氮移除效率。（9）植物丰富度提高土壤有机质含量。（10）植物丰富度提高植物生物量。（11）植物丰富度提高土壤微生物量。（12）如果将植物生物量用来生产生物燃料完全可以抵消CH4释放。系统净温室效应潜力随物种丰富度的增加而显著降低。综上，植物多样性强化人工湿地系统甲烷释放强度，但并不影响土壤甲烷释放。这主要与植物多样性强化产甲烷菌数量，促进植物对甲烷的传输和促进植物向系统释放有机碳有关。. 项目按计划完成了研究工作，并取得了一定的研究成果。本项目目前录用和见刊发表研究论文6篇（SCI论文1篇，中文权威期刊1篇和EI国际会议论文4篇），外审和修改中论文5篇（SCI论文2篇，中文权威期刊3篇）。该研究为人工湿地植物多样性配置提供科学依据，对人工湿地运行管理有现实意义。