若尔盖退化泥炭地甲烷厌氧氧化潜势及其功能微生物对氮沉降响应研究

Methane is an important greenhouse gas with strong radiative potential. Evidence from oceans, lakes and paddy fields shows that anaerobic oxidation can offset considerable portion of methane source, but our knowledge on the anaerobic oxidation of methane of peatlands is still limited. Therefore, we choose the Zoige Peatland which is the largest alpine peatland in the world as the study site. In order to observe the anaerobic oxidation process of methane in a serial peatlands under different degradation degrees, we shall conduct field sampling along with laboratory work, e.g. high throughput sequencing, clone library and incubation experimerts. Base on above-mentioned research activities, we aim at figuring out the driving factors on the anaerobic oxidation of methane, and quantifying the regional anaerobic oxidation of methane by up-scaling as well; Then show that the effects of nitrogen addition on the soil methane anaerobic oxidation and related functional microbial community structure, and its effect on the anaerobic methane oxidation of deep peat soil. Furthermore, this study could have valuable implications for alpine peatland conservation and restoration.

甲烷厌氧氧化可以有效的减少自然环境中甲烷的排放，减缓因温室效应带来的全球气候变暖。在全球变化背景下，对于甲烷厌氧氧化的研究主要集中于海洋、湖泊和稻田等，对于高寒泥炭地的研究还有待深入。高寒泥炭地长期处于冷湿、缺氧环境下，有机质分解缓慢，为甲烷厌氧氧化创造了有利条件。本项目拟选取青藏高原东缘若尔盖泥炭地为研究对象，以野外试验结合室内厌氧培养和分子生态学的研究方法。在氮沉降背景下，围绕泥炭地不同退化水平与甲烷厌氧氧化之间的关系问题，重点研究不同退化条件下泥炭地甲烷厌氧氧化及其驱动因素，揭示与甲烷厌氧氧化相关的关键因子，并在此基础上通过甲烷厌氧氧化速率定量评估甲烷厌氧氧化吸收量；明确不同水位和深度泥炭土壤甲烷厌氧氧化过程及相关功能微生物群落结构和丰度对氮添加的响应，探究氮素添加对深层泥炭甲烷厌氧氧化作用影响。本研究成果可进一步为高寒泥炭地的恢复与保护提供科学依据与数据支撑。

围绕泥炭地退化与甲烷循环之间的关系，探究泥炭地甲烷产生、甲烷厌氧氧化潜势及其功能微生物对全球变化的响应。主要进展：.通过室内厌氧培养实验探究水位对泥炭地甲烷产生和AOM的影响，并分析影响其潜势大小的生物地球化学因子。结果显示，高水位泥炭地CH4产生累积量为0.89 ± 0.01 µg•g-1，要显著高于低水位（0.70 ± 0.03 µg•g-1）泥炭地甲烷产生量；但低水位泥炭地AOM累积量（3588.06 ± 24.78 µg•g-1）要显著高于高水位泥炭地（2829.93 ± 35.99 µg•g-1）。相关性分析发现含水量和DOC是影响若尔盖泥炭地甲烷产生及AOM潜势大小的重要因子。通过功能基因克隆文库和16SRNA高通量测序分析了若尔盖泥炭地3个不同水位点N-DAMO细菌群落的垂直分布(0-100 cm)。结果显示，N-DAMO菌主要分布于亚表层土壤(20-30 cm和50-60 cm)；地下水位下降增加了N-DAMO细菌的相对丰度；水位下降通过改变优势类群而重塑N-DAMO菌的结构；不同类型的N-DAMO菌群受不同的环境因子调控。.探究N-DAMO和Nr-DAMO途径甲烷厌氧氧化菌多样性和活性对氮沉降的响应。低氮和高氮均增加了NC10门细菌的chao1、observed species和Shannon，随着深度均呈现先增加后降低的趋势；高氮增加了ANME-2d古菌的chao1和observed species，在对照组和高氮组，丰富度和多样性指数均随着深度而增加，但在低氮处理组呈现先升高后降低的趋势，在20-40cm土壤中最高。深度和氮添加均能显著影响甲烷厌氧氧化细菌和古菌的群落结构。ANME-2d古菌在各个处理组中核心共有物种较多，而独有物种较少，但NC10门细菌呈现相反趋势，不同组别间异质性较高。稳定同位素示踪发现，低氮增加了表层土的DAMO和Nr-DAMO活性，而对亚表层和深层土壤无显著影响；高氮增加了所有土层的DAMO和Nr-DAMO活性，而仅在表层和亚表层增加了N-DAMO活性。在L20、H20、H60和H100处，潜在Nr-DAMO活性比N-DAMO活性大，表明氮沉降下ANME-2d古菌比NC10门细菌具有更强的甲烷氧化能力。