濕地儲(chǔ)存了約6000億噸碳，占全球土壤有機(jī)碳總量的三分之一，是重要的陸地碳儲(chǔ)庫。濕地也是大氣甲烷最大的天然來源，每年排放約1.5-2億噸甲烷，占甲烷天然來源的80%。
濕地的碳儲(chǔ)存能力和甲烷排放量與水位變化密切相關(guān)，水位波動(dòng)通過改變氧化-厭氧層的位置控制著好氧與厭氧微生物的活性，進(jìn)一步影響有機(jī)質(zhì)的分解和溫室氣體排放量。
當(dāng)前全球濕地正在面臨水位下降和更頻繁的水位波動(dòng)的威脅，例如泥炭開采、開挖溝渠排水、將濕地轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)用地等。在這種背景下，迫切地需要了解濕地水文變化對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)、碳代謝活動(dòng)和溫室氣體排放等碳動(dòng)態(tài)過程的影響。
為探究這一問題，本研究團(tuán)隊(duì)在神農(nóng)架大九湖國(guó)家濕地公園開展了系統(tǒng)的濕地環(huán)境變化監(jiān)測(cè)，包括溫度、降水、水位、孔隙水營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、溶解氧含量、氧化還原電位和pH等，并在不同的季節(jié)和水位條件下調(diào)查了濕地活體微生物來源的磷脂脂肪酸(PLFAs)的分子分布和單體穩(wěn)定碳同位素組成(δ13C)，同時(shí)與濕地甲烷和CO2溫室氣體排放通量、總有機(jī)碳同位素(δ13Cbulk)和溶解有機(jī)碳同位素(δ13CDOC)相結(jié)合，探究水位波動(dòng)對(duì)大九湖濕地的微生物活動(dòng)和碳循環(huán)的影響。
水位波動(dòng)影響微生物群落結(jié)構(gòu)和碳代謝活動(dòng)
研究發(fā)現(xiàn)，隨著大九湖濕地的季節(jié)性水位波動(dòng)，濕地的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，革蘭氏陰性菌(G−)和放線菌的相對(duì)豐度增加，而真菌相對(duì)豐度減少，而革蘭氏陽性菌(G+)基本保持不變。通過冗余分析發(fā)現(xiàn)水位是影響各類PLFAs的最顯著的控制因素(圖1)，表明水位可能通過改變氧化還原條件來控制微生物群落結(jié)構(gòu)，水位下降后G−的增加可能與氧氣供應(yīng)增加有關(guān)，而G+對(duì)外界環(huán)境的抵抗力更強(qiáng)，這可能是其變化不大的原因。此外TOC和DOC的顯著性p值也小于0.05 (圖1)，表明底物碳源的可利用性也是控制濕地微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素。
更重要的是，隨著大九湖濕地的水位下降，微生物PLFAs的δ13C值發(fā)生了偏負(fù)(圖2)。不同微生物PLFAs的δ13C偏負(fù)程度不同，其中真菌的偏負(fù)程度最小，平均偏負(fù)1‰左右;其次是G+和放線菌，平均偏負(fù)2−3‰，而來自G−的PLFAs，特別是18:1ω7，18:1ω9，cy17:0的δ13C值偏負(fù)程度最大，平均偏負(fù)4−5‰，最大偏負(fù)可達(dá)12‰(圖2)。同時(shí)這三種PLFAs的δ13C值與水位存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)為當(dāng)水位下降到30cm的時(shí)候，PLFAs的δ13C值偏負(fù)接近−40‰。這三種PLFAs已經(jīng)被證實(shí)是濕地中甲烷氧化菌合成的主要的PLFAs，因此它們δ13C的顯著偏負(fù)指示了水位下降時(shí)期微生物甲烷氧化活動(dòng)的增強(qiáng)。
水位波動(dòng)影響甲烷排放通量
進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，濕地水位下降時(shí)微生物甲烷氧化活動(dòng)的增強(qiáng)對(duì)濕地甲烷排放產(chǎn)生了顯著影響。在高水位時(shí)期大九湖濕地的甲烷排放通量較高，在30−130 nmol/m2/s之間(圖3);水位下降后甲烷排放通量顯著下降，特別是當(dāng)水位下降至14 cm的時(shí)候，甲烷排放通量出現(xiàn)持續(xù)的負(fù)值(圖3)，表明此時(shí)濕地不再排放甲烷反而吸收甲烷，這與增強(qiáng)的微生物甲烷氧化作用是一致的。同時(shí)表明微生物代謝活動(dòng)的變化對(duì)濕地甲烷排放的影響是十分巨大的，不僅可以顯著減少濕地甲烷排放，甚至可以暫時(shí)將濕地從甲烷源轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄閰R。
這項(xiàng)研究揭示了濕地短期水位下降可以快速改變濕地微生物群落結(jié)構(gòu)和碳代謝活動(dòng)，并且具有在短時(shí)間內(nèi)減少濕地甲烷排放的潛力。這項(xiàng)研究還為解釋地質(zhì)歷史時(shí)期泥炭地碳循環(huán)過程提供了一個(gè)現(xiàn)代證據(jù)。本研究結(jié)果還表明，在濕地恢復(fù)和管理過程中，要考慮水位變化對(duì)濕地微生物碳代謝活動(dòng)和甲烷排放產(chǎn)生的影響。
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