濕地儲存了約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%。
濕地的碳儲存能力和甲烷排放量與水位變化密切相關(guān)，水位波動通過改變氧化-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微生物群落結(jié)構(gòu)、碳代謝活動和溫室氣體排放等碳動態(tài)過程的影響。
為探究這一問題，本研究團(tuán)隊(duì)在神農(nóng)架大九湖國家濕地公園開展了系統(tǒng)的濕地環(huán)境變化監(jiān)測，包括溫度、降水、水位、孔隙水營養(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，探究水位波動對大九湖濕地的微生物活動和碳循環(huán)的影響。
水位波動影響微生物群落結(jié)構(gòu)和碳代謝活動
研究發(fā)現(xiàn)，隨著大九湖濕地的季節(jié)性水位波動，濕地的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，革蘭氏陰性菌(G−)和放線菌的相對豐度增加，而真菌相對豐度減少，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)指示了水位下降時期微生物甲烷氧化活動的增強(qiáng)。
水位波動影響甲烷排放通量
進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，濕地水位下降時微生物甲烷氧化活動的增強(qiáng)對濕地甲烷排放產(chǎn)生了顯著影響。在高水位時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的時候，甲烷排放通量出現(xiàn)持續(xù)的負(fù)值(圖3)，表明此時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。同時表明微生物代謝活動的變化對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，并且具有在短時間內(nèi)減少濕地甲烷排放的潛力。這項(xiàng)研究還為解釋地質(zhì)歷史時期泥炭地碳循環(huán)過程提供了一個現(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，要考慮水位變化對濕地微生物碳代謝活動和甲烷排放產(chǎn)生的影響。
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