多年冻土环境泥炭地甲烷排放对气候变暖响应的微生物机制

Methane is an important greenhouse gas, and recently many studies have focused on methane fluxes from permafrost peatlands because of its important roles in global warming. Most permafrost is located in northern high latitudes; global warming is expected to have greater impacts in this area. Permafrost thaw may result in significant variations of methane emission and further influence the local carbon balance and global carbon cycling under climate warming. However, the response of microbial methane production and oxidation to the changes of temperature, hydrology and freeze-thaw intensity and frequency is unclear. In this proposal, we will use mRNA-based real-time quantitative PCR, high-throughput sequencing and 13C label technology to assess the response of community structure, function and metabolic activity of methanogens and methanotrophs in permafrost peatlands to environmental (i.e., temperature, hydrology, and freeze-thaw cycles) changes and their relationship with methane fluxes. Results will help elucidate the microbial mechanisms of methane production and oxidation, assess the source and sink changes of methane in permafrost peatlands, and provide basic data for accurately evaluating global carbon budget under climate change.

甲烷是重要的温室气体，由于其对全球气候变暖的显著作用而备受科学界关注。北方高纬地区分布着大量的多年冻土，同时该地区也是对气候变暖响应较为敏感的区域。虽然气候变暖导致的冻土融化将通过影响泥炭地甲烷排放对区域碳平衡和全球碳循环产生重要影响，但是温度、水文、冻融环境变化及其综合作用对甲烷产生和氧化微生物过程的影响还不明确。本项目拟采用荧光定量PCR、高通量测序及稳定同位素技术从mRNA水平分析多年冻土环境泥炭地产甲烷菌及甲烷氧化菌群落结构、功能及代谢活性对环境变化（土壤温度、水分条件、冻融环境变化）的响应特征及其与甲烷排放的关系，深入了解多年冻土环境泥炭地甲烷产生和氧化的微生物机理，探明全球变暖背景下冻土泥炭地甲烷源/汇变化规律及其微生物机制，为准确评估未来气候变化对全球碳收支的影响提供基础数据。

泥炭地作为甲烷的排放源在全球碳循环中发挥着重要的作用。本项目以大兴安岭多年冻土区泥炭地为研究对象，基于野外观测、野外原位增温实验和室内模拟实验，应用荧光定量PCR、高通量测序及稳定同位素技术开展了气候变暖对多年冻土环境泥炭地甲烷排放的影响及其微生物机制研究。结果表明：受厌氧环境和营养底物的共同影响多年冻土区泥炭地土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌菌群数量随土壤深度的增加呈降低趋势，泥炭表层甲烷氧化菌数量高于产甲烷菌，而深层产甲烷菌菌群数量显著高于甲烷氧化菌数量，说明泥炭表层主要以甲烷氧化为主，深层主要发生厌氧产甲烷过程。多年冻土区泥炭地土壤中存在乙酸型产甲烷菌（Methanosarcinales）和氢型产甲烷菌（Methanobacteriales、Methanocellales和Methanomicrobiales）。在0-20cm土层，甲烷杆菌目（Methanobacrium）是产甲烷菌的优势菌群，增温对产甲烷菌菌群结构组成的影响不显著。增温导致多年冻土区泥炭地土壤甲烷氧化菌优势菌群由I型甲烷氧化菌Methylobacter转变为II型甲烷氧化菌Methylocystis，增温降低了多年冻土区0-20cm层土壤微生物的丰富度。不同泥炭地土壤甲烷氧化菌的温度敏感性均显著高于产甲烷菌温度敏感性，说明气候变暖对冻土区泥炭地甲烷氧化过程的影响将大于产甲烷过程。增温提高了生长季多年冻土区泥炭地土壤孔隙水中产甲烷菌数量和DOC含量。在葡萄糖添加条件下，温度增加5℃导致0-10cm土壤产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度分别增加了48%和42%，说明含碳底物的增加能够促进泥炭地土壤甲烷产生和氧化过程。淹水处理可通过提高土壤产甲烷菌数量促进土壤甲烷释放。在泥炭藓层，冻土融化显著增加了产甲烷菌和甲烷氧化菌的菌群数量，增温促进永冻层土壤中纤维素的降解但抑制产甲烷过程，永冻层冻土融化释放的甲烷主要来自于存贮释放。我们的研究明确了多年冻土区泥炭地微生物介导的甲烷循环过程对气候变暖的响应，为准确评估未来气候变化对冻土区泥炭地碳收支的影响提供了重要的理论依据。