祁连山多年冻土区草地甲烷排放特征及其微生物机制

来源 :兰州交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ming_yue_zhang
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青藏高原地区分布着我国面积最大的多年冻土,且多年冻土中有机碳(SOC)储量丰富,同时该地区对气候变化十分敏感。全球变暖可能导致多年冻土中的有机碳分解,从而使大气中的温室气体含量增高。目前对温室气体排放的研究多集中在二氧化碳(CO2)排放量上,对甲烷(CH4)排放研究相对较少,且多年冻土区甲烷释放通量与土壤理化性质、微生物群落结构以及功能基因丰度的关系还不清楚。本研究选择青藏高原北部祁连山野牛沟地区为研究区域,于2019年6月~2020年1月,利用静态箱-气相色谱法对研究区不同草地类型的CH4释放通量进行测定,并分析土壤理化性质如总碳(TC)、总氮(TN)、有机碳(SOC)、p H、含水率等的变化特征;同时使用实时荧光定量(q PCR)技术测定祁连山不同草地类型土壤产甲烷菌(mcr A)和甲烷氧化菌(pmo A)的功能基因表达量,同时利用Illumina Mi Seq测序技术对产甲烷菌和甲烷氧化菌进行高通量测序,并在目水平上对其组成进行研究,同时获得产甲烷菌与甲烷氧化菌的群落结构。本研究旨在明确不同草地类型土壤的CH4释放特征及影响土壤甲烷通量的微生物群落组成,并了解土壤理化性质对甲烷通量的影响,有助于揭示青藏高原多年冻土区影响CH4通量的微生物学机制。本研究主要得到以下几个结论:(1)不同草地类型CH4通量结果显示:1)CH4通量大小次序为:高寒沼泽草甸>高寒草甸>高寒草原,其中高寒草甸和高寒草原表现为吸收大气CH4,高寒沼泽草甸表现为向大气释放CH4;2)CH4通量季节变化明显,生长季(6、7、8、9月)是CH4通量较高的时期;3)CH4的日变化通量呈现单峰曲线。在08:00~14:00,甲烷的通量不断增高,在14:00之后逐渐下降,20:00以后基本保持在负值。(2)高寒沼泽草甸土壤中的p H值明显低于高寒沼泽草甸和高寒草原,高寒沼泽草甸和高寒草甸的含水率、碳氮含量均高于高寒草原。土壤TC、TN在高寒沼泽草甸区的不同土层差异明显。C/N和电导率在不同地区差异不明显。研究区的含水率与土壤中的碳氮成分显著正相关,土壤含水率越高土壤的碳氮积累越明显。SOC与TC、TN呈极显著正相关。TC和SOC呈极显著正相关。p H、电导率和C/N与其他土壤理化指标相关性不显著。(3)0~30cm土层深度的产甲烷菌mcr A功能基因拷贝数由大到小均为:高寒沼泽草甸>高寒草原>高寒草甸。0-15cm土壤中甲烷氧化菌pmo A功能基因拷贝数由大到小为:高寒草甸>高寒草原>高寒沼泽草甸,与mcr A功能基因拷贝数的大小顺序相反。15-30cm土壤中甲烷氧化菌pmo A功能基因拷贝数由大到小为:高寒草原>高寒草甸>高寒沼泽草甸。(4)在目水平上,高寒沼泽草甸的中主要的产甲烷菌菌群为甲烷微菌目(Methanomicrobiales)、甲烷八叠球菌目(Methanosarcinales)、马赛球菌目(Methanomassiliicoccales)、甲烷胞菌目(Methanocellales)、甲烷杆菌目(Methanobacteriales)。其中甲烷微菌目是各个草地类型的主要优势菌群,其丰度变化范围为20.0~30.1%。甲烷氧化菌主要是甲基球菌目(Methylococcales)。其中甲基球菌目在甲烷氧化菌群中占有绝对优势,其丰度变化范围为85.9~96.6%。(5)不同草地类型甲烷氧化菌丰富度从大到小为高寒沼泽草甸>高寒草原>高寒沼泽草甸。高寒沼泽草甸0~15 cm层土壤的产甲烷菌和甲烷氧化菌多样性与丰富度均高于15~30 cm土层,高寒草原和高寒草甸0~15 cm层土壤的产甲烷菌和甲烷氧化菌多样性与丰富度则均低于15~30 cm土层。(6)CH4通量与土壤温度呈极显著正相关。土壤中的碳、氮含量和CH4通量呈正相关关系。甲烷通量与高寒沼泽草甸0~15 cm层土壤含水率和总碳正相关。本研究中高寒草甸和高寒草原的含水率与CH4的通量无关。说明本研究区CH4通量主要受温度和水分的影响。(7)mcr A基因丰度与CH4通量呈正相关关系,pmo A基因丰度与CH4通量无明显关系。表明研究区CH4通量主要受产甲烷菌丰度影响。mcr A功能基因丰度与土壤含水率呈极显著正相关。(8)微生物的群落多样性和丰富度与土壤中的TC和SOC呈正相关。说明本研究区土壤中的含碳量决定了的微生物群落结构。以上结果表明,温度和水分是多年冻土区甲烷通量的最重要影响因素。温度和水分一方面决定了植被生长状态,从而影响土壤含碳量,另一方面影响微生物功能基因的丰富度和多样性,即决定了微生物活性。最终,较高的土壤含碳量为甲烷的释放提供了充分条件,而微生物活性则直接决定了甲烷的产生速率。
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