论文部分内容阅读
青藏高原是我国多年冻土分布面积最大的地区,其多年冻土中储存有大量有机碳(SOC),同时也是气候变化的敏感区。多年冻土区土壤有机碳对温度升高非常敏感,气候变暖将诱发多年冻土退化,加速微生物对有机碳的分解和温室气体的释放。多年冻土释放的温室气体主要是CO2,但是CH4的释放同样不可忽视。CH4的释放是产CH4菌和CH4氧化菌动态调节的结果。认识多年冻土区CH4释放特征及其微生物机制,有助于了解多年冻土对气候变化的反馈效应。本文对黑河上游多年冻土区不同海拔的土壤开展研究,采集样地0-15 cm、15-30cm的土壤,分析其土壤理化指标,如总碳(TC)、总氮(TN)、有机碳(SOC)、pH、含水率等在不同海拔的变化特征。利用实时荧光定量(qPCR)技术定量测定研究区产甲烷菌(mcrA)和甲烷氧化菌(pmoA)功能基因丰度;利用Illumina MiSeq测序技术对研究区不同海拔土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌进行功能基因高通量测序,在科水平上对不同海拔土壤产甲烷菌与甲烷氧化菌群落的变化规律展开研究,获得产甲烷菌与甲烷氧化菌的群落组成信息。本研究旨在明确不同海拔土壤的甲烷的释放特征及其微生物机制学,研究结果可了解多年冻土中产甲烷菌与甲烷氧化菌菌群数量和结构组成,从而有助于揭示多年冻土区甲烷代谢的微生物学机制。本研究主要得到以下几个结论:(1)TC、TN、SOC含量总体上随海拔升高而逐渐增大;同一海拔,0-15 cm层土壤TC、TN、SOC含量均高于15-30 cm土壤。土壤C、N含量受土壤含水率的影响。(2)培养实验表明:1)相同温度不同海拔土壤甲烷产生速率不同。2)在相同的温度培养条件下,0℃、10℃时,土壤甲烷产生速率随海拔上升整体呈下降趋势(海拔3900 m除外);5℃培养条件下,土壤甲烷产生速率波动变化,随海拔上升变化不明显。3)不同海拔相同土层在相同温度培养条件下,甲烷产生速率变化趋势基本一致,随培养时间的延长整体呈下降趋势。4)同一海拔不同温度培养的土壤甲烷产生速率不同,5℃培养条件下得到的甲烷产生速率略高于0℃和10℃培养。5)不同海拔0-15 cm甲烷释放的温度敏感性值(Q10值)范围为0.79~1.83;15-30 cm层甲烷释放的温度敏感性值(Q10值)范围为0.89~1.28。本研究的Q10值证实,黑河上游多年冻土区土壤甲烷释放对温度变化较为敏感,温度升高促进甲烷的产生与释放。(3)不同深度土层的土壤产甲烷菌mcrA功能基因拷贝数随海拔降低呈下降趋势。产甲烷菌功能基因丰度与TN、SOC密切相关,甲烷氧化菌功能基因丰度与TC和土壤含水率显著负相关(P<0.05)。说明土壤TN和SOC共同影响着产甲烷菌群落的相对丰度,而TC和土壤含水率则更多地影响着甲烷氧化菌群落的相对丰度。(4)不同海拔产甲烷菌优势菌为Methanoregulaceae、Methanosaetaceae、Methanomassiliicoccaceae、Methanocellaceae、Methanobacteriaceae、Methanomicrobiaceae。其中Methanoregulaceae为各海拔共有的优势菌,其丰度变化范围为8.7%~32.4%。研究区产甲烷菌主要为氢营养型产甲烷菌(相对丰度为52.5%)和甲基营养型产甲烷菌(相对丰度为11.4%)。甲烷氧化菌优势菌为Methylococcaceae、Beijerinckiaceae,其中Methylococcaceae在各海拔相对丰度均高于68.9%。研究区甲烷氧化菌为TypeⅠ型甲烷氧化菌,其总相对丰度高于88%。(5)土壤含水率、营养底物与产甲烷菌群落多样性(Simpson、Shannon指数)和群落丰富度(Chao 1、Ace指数)显著正相关(P<0.05),而土壤含水率、营养底物与甲烷氧化菌群落多样性(Simpson、Shannon指数)和群落丰富度(Chao 1、Ace指数)存在显著负相关关系(P<0.05)。土壤理化性质影响产甲烷菌和甲烷氧化菌群落的丰富度和均匀度。(6)环境因子与产甲烷菌和甲烷氧化菌RDA分析表明,在不同海拔0-15 cm、15-30cm层土壤中,Methanoregulaceae、Methanomicrobiaceae、Methanomassiliicoccaceae、Methanocellaceae、Methanobacteriaceae菌科与土壤含水率、pH有一定相关关系(P<0.05)。在0-15 cm层土壤中Methanoregulaceae、Methanomicrobiaceae和Methanomassiliicoccaceae与土壤营养底物存在相关关系(P<0.05);而在15-30 cm层土壤中Methanoregulaceae、Methanomicrobiaceae、Methanocellaceae、Methanomassiliicoccaceae、Methanobacteriaceae与营养底物均存在相关关系(P<0.05)。Methylococcaceae与0-15 cm、15-30 cm层土壤含水率、pH均呈正相关。Beijerinckiaceae分别与0-15 cm层土壤含水率、SOC、pH和15-30 cm层SOC正相关(P<0.05),而与15-30 cm层土壤含水率、pH负相关(P<0.05)。土壤含水率、pH和营养底物是影响产甲烷菌和甲烷氧化菌群落结构的重要影响因子。本研究结果表明,多年冻土区温度升高会促进甲烷释放。黑河上游多年冻土区甲烷代谢微生物主要为氢营养型产甲烷菌和TypeⅠ型好氧甲烷氧化菌。相同土层产甲烷菌和甲烷氧化菌优势菌的影响因素不同,不同土层影响甲烷功能微生物群落结构的因素也不同。产甲烷菌和甲烷氧化菌对环境因子的响应较为复杂,可能是多种环境因素共同影响的结果。