氮沉降对黄河三角洲滨海湿地甲烷产生途径的影响

Nitrogen depositions, which are caused by human activity, are important parts of global change. Coastal regions with low adaptability are significantly affected by global change. Nitrogen depositions affect methane emissions in coastal wetland. However, the mechanism is unclear. Here Yellow River Delta coastal wetland is selected as the research area. Static chamber-gas chromatography method is used to evaluate effects of different types of nitrogen depositions (NH4-N and NO3-N) on methane emission. Methane isotopic composition of atmosphere and soil pore water will be tested to analyze methanogenic pathways using gas stable isotope mass spectrometer. Simulated soil column experiment and anaerobic culture will be performed. Carbon isotope of CH4, CO2 and acetate methyl will be tested to calculate the ratio of hydrogenotrophic methanogenesis. Gibbs free energy of different methanogenetic pathways will be calculated to analyze effects of increased nitrogen depositions on methanogenic pathways. With the terminal-restriction fragment length polymorphism and high-throughput sequencing technology based on stable isotope probing, active methanogenic archaea species category will be revealed. This project can elucidate the response of methanogens and methanogenic pathways to increased nitrogen depositions in coastal wetland. It also can reveal the mechanism of nitrogen depositions on methane emission in coastal wetland. It has important significances for accurately predicting the strength of source and sink of methane in coastal wetlands under increased nitrogen depositions.

人为活动引起的大气氮沉降增加是全球变化的重要内容，生态脆弱的滨海地区明显受其影响。氮沉降影响滨海湿地甲烷排放，但其机制尚不明确。本项目拟选取黄河三角洲滨海湿地为研究位点，用静态箱-气相色谱法测定甲烷通量以评估不同氮沉降类型（NH4-N和NO3-N）对原位甲烷排放的影响。利用气体稳定同位素质谱仪测定大气及土壤孔隙水中甲烷的碳同位素组成以分析甲烷的产生途径。实验室开展土柱模拟及厌氧培养实验，测定甲烷、CO2及乙酸甲基碳同位素组成以计算氢营养型产甲烷途径所占比例。结合不同产甲烷途径吉布斯自由能解析氮沉降增加对甲烷产生途径的影响。基于稳定同位素示踪的末端限制性片段长度多态性和高通量测序等技术揭示氮沉降增加下活跃的产甲烷古菌。研究结果可阐明滨海湿地产甲烷古菌和甲烷产生途径对氮沉降增加的响应，揭示氮沉降对滨海湿地甲烷排放的影响机制，为准确预测氮沉降增加情景下滨海湿地甲烷的源汇强度提供有力支撑。

全球气候变化，特别是全球变暖，正显著影响人类的生存和发展。地球各个圈层长久持续进行频繁和复杂的相互作用。滨海湿地温室气体的产生和排放涉及大气圈、水圈、岩石圈、生物圈等等。其中大气圈来源的氮沉降，以及各圈层内部，比如矿物和微生物相互作用，均显著影响温室气体的产生过程。申请人借助中国科学院黄河三角洲滨海湿地生态试验站，基于连续4年模拟氮沉降处理，研究了大气氮沉降增加和间歇性淹水对滨海湿地甲烷排放的影响。研究显示铵态氮在全年均提高了甲烷排放。硝态氮虽然在淹水期对甲烷的排放具有一定的促进作用，但影响较小。通过分析不同氮沉降处理下原位古菌群落结构，研究表明铵态氮处理提高了Methanocellaceae丰度，这可能是甲烷通量提高的重要原因。非淹水期，铵态氮和硝态氮均提高了黄河三角洲湿地的甲烷排放，铵态氮的促进作用明显强于硝态氮。相关研究对于进一步认识不同类型氮沉降对湿地甲烷源汇影响具有指导意义。.除氮沉降影响甲烷产生潜力和途径外，存在于黄河三角洲滨海湿地导电矿物和含碳物质均对黄河三角洲滨海湿地甲烷产生过程有明显的影响。研究显示导电磁铁矿可以加速二氧化碳还原产生甲烷。另外，在黄河三角洲滨海湿地的特殊土层（黄河三角洲红色夹粘层）同样发现了电微生物驱动的矿物转化及其影响的甲烷产生过程。另外，研究同时发现导电材料可以加速乙酸营养型产甲烷途径。基于本项目的支持，研究前瞻性的提出了导电矿物和碳基物质可以加强直接乙酸裂解产甲烷。另外，在本项目支持下研究发现环境因素，如氮沉降和导电物质生物炭，对黄河三角洲滨海湿地甲烷的产生和排放的影响与底物乙酸的浓度息息相关。相关研究成果有助于我们认识滨海湿地甲烷排放对氮沉降增加和间歇性淹水的响应机制，并为准确预测氮沉降增加情景下滨海湿地甲烷的源汇强度提供理论支撑。同时对于深入揭示导电物质和电微生物影响的滨海湿地甲烷产生过程具有重要的意义。