季节性冻融期东北泥炭沼泽碳排放及其微生物机制研究

Peat mire, as an important source and sink of greenhouse gas in the terrestrial ecosystem, plays an important role in maintaining the global carbon balance. Seasonal freezing-thawing process is an important stage of carbon emissions in peat mire. The variations of freezing-thawing cycling (FTC) strength and frequency under the background of global change will directly affect soil carbon biogeochemical process. Soil microbes are regulators of peat mire carbon emissions, but its influencing mechanism remains largely unstudied. Therefore, this project plans to select the typical peat mire in northeastern China as the study area. The objectives of this study are to (1): reveal the dynamic of carbon emissions of the peat mire during the freeze-thaw process using in-situ observation and measurement; (2) evaluate the soil carbon emissions potential of the peat mire during the freezing-thawing interface migration; (3) explore the response of soil substrate availability, microbial community and enzyme activities of the peat mire to the freeze-thaw process using freezing-thawing simulation experiments; (4) identity the key microbial functional group mediating the carbon emissions process using stable carbon isotope probe technology and molecular biology techniques, and illustrate the microbial mechanism of carbon emissions of the peat mire during the freeze-thaw season. The conclusions will not only provide essential data for the carbon balance estimation of the peat mire in northern China, but also provide scientific basis for its response to climate change.

泥炭沼泽是陆地生态系统温室气体重要的“源”和“汇”，在维持全球碳平衡中具有重要作用。季节性冻融期是泥炭沼泽碳排放的重要阶段。全球变化背景下，土壤冻融强度、频率的变化将直接影响土壤碳的生物地球化学过程。土壤微生物是冻融期泥炭沼泽土壤碳排放的主要调节者，但其影响机制尚不清晰。本项目拟以我国东北典型泥炭沼泽为研究对象，结合野外原位监测、室内冻融模拟实验、稳定碳同位素技术与分子生物学手段，开展季节性冻融期泥炭沼泽碳排放及其微生物机制研究，揭示季节性冻融期泥炭沼泽碳排放特征，估算冻融界面迁移过程中泥炭沼泽土壤融冻层碳排放潜力；明晰冻融作用对泥炭沼泽底物有效性及土壤微生物和酶活性的影响，鉴别冻融作用下影响泥炭沼泽土壤碳排放的关键微生物功能群，探讨季节性冻融期东北泥炭沼泽碳排放的微生物机制，为我国北方典型泥炭沼泽土壤碳收支估算提供基础数据，并为其对全球变化的响应研究提供科学依据。

季节性冻融期是泥炭沼泽碳排放的重要阶段。全球变化背景下，土壤冻融强度、频率的变化将直接影响土壤碳的生物地球化学过程。本项目通过我国东北典型泥炭沼泽为研究对象，结合野外原位监测、室内冻融模拟实验的手段，开展季节性冻融期泥炭沼泽碳排放及其微生物机制研究，揭示季节性冻融期泥炭沼泽碳排放特征；明晰冻融作用对泥炭沼泽底物有效性及土壤微生物和酶活性的影响，探讨季节性冻融期东北泥炭沼泽碳排放的微生物机制。首先，通过文献数据进行整合分析，发现冻融作用促进陆地生态系统温室气体排放，而这主要是通过降低土壤微生物量的方式实现，而在冻融作用会显著降低土壤酶活性。季节性冻融期野外原位监测的研究结果表明：长期冻结后，泥炭沼泽出现CH4和CO2的排放峰值，并呈现出微地貌，草丘上的CO2排放量显著高于丘间，且与丘上与丘间的温度差异有关。这可能是由于泥炭沼泽微地貌差异引起冬季积雪的差异，进而导致冻融模式差异。基于此推测，本项目开展了雪被控制实验，其结果表明：雪被去除会加剧季节性冻融期的冻融幅度和冻融频率，而这一过程可能会使泥炭沼泽生态系统成为CH4和CO2的吸收汇，且与土壤微生物碳氮含量呈负相关。室内冻融模拟实验研究结果表明冻融作用下土壤CH4排放呈现负值，CO2排放呈现正值，表明冻融循环过程中生态系统表现为CH4的吸收汇和CO2排放源，而这与基于meta-分析的综合研究结果是一致的。综合上述研究结果，长期冻结后泥炭沼泽会出现CH4和CO2的排放峰值，这主要与土壤微生物量的降低有关，因为长期的冻结作用会使土壤中部分微生物死亡分解。然而，春季的冻融作用会显著降低CH4和CO2的排放量，可能是因为长期冻结后的冻融过程中微生物群落处于恢复阶段。本研究为我国北方典型泥炭沼泽土壤碳收支估算提供基础数据，并为揭示冻融季节泥炭沼泽碳排放机制及其对全球变化的响应研究提供重要线索。