张一鸣（博士生），David Naafs，黄咸雨* 等，生物地质与环境地质国家重点实验室. Geochimica et Cosmochimica Acta(2021), Variations in wetland hydrology drive rapid changes in the microbial community, carbon metabolic activity, and greenhouse gas fluxes

11月30日，地球科学领域Nature Index期刊《Geochimica et Cosmochimica Acta》刊发了我校生物地质与环境地质国家重点实验室谢树成教授团队的研究成果——Variations in wetland hydrology drive rapid changes in the microbial community, carbon metabolic activity, and greenhouse gas fluxes (湿地水文变化驱动微生物群落、碳代谢活动和温室气体通量快速变化)，博士生张一鸣为第一作者，David Naafs博士是共同第一作者，黄咸雨教授为通讯作者。

湿地储存了约6000亿吨碳，占全球土壤有机碳总量的三分之一，是重要的陆地碳储库。湿地也是大气甲烷最大的天然来源，每年排放约1.5-2亿吨甲烷，占甲烷天然来源的80%。湿地的碳储存能力和甲烷排放量与水位变化密切相关，水位波动通过改变氧化-厌氧层的位置控制着好氧与厌氧微生物的活性，进一步影响有机质的分解和温室气体排放量。当前全球湿地正在面临水位下降和更频繁的水位波动的威胁，例如泥炭开采、开挖沟渠排水、将湿地转变为农业用地等。在这种背景下，迫切地需要了解湿地水文变化对微生物群落结构、碳代谢活动和温室气体排放等碳动态过程的影响。

为探究这一问题，本研究团队在神农架大九湖国家湿地公园开展了系统的湿地环境变化监测，包括温度、降水、水位、孔隙水营养盐浓度、溶解氧含量、氧化还原电位和pH等，并在不同的季节和水位条件下调查了湿地活体微生物来源的磷脂脂肪酸(PLFAs)的分子分布和单体稳定碳同位素组成(δ¹³C)，同时与湿地甲烷和CO₂温室气体排放通量、总有机碳同位素(δ¹³C_bulk)和溶解有机碳同位素(δ¹³C_DOC)相结合，探究水位波动对大九湖湿地的微生物活动和碳循环的影响。

研究发现，随着大九湖湿地的季节性水位波动，湿地的微生物群落结构发生变化，革兰氏阴性菌(G−)和放线菌的相对丰度增加，而真菌相对丰度减少，而革兰氏阳性菌(G+)基本保持不变。通过冗余分析发现水位是影响各类PLFAs的最显著的控制因素(图1)，表明水位可能通过改变氧化还原条件来控制微生物群落结构，水位下降后G−的增加可能与氧气供应增加有关，而G+对外界环境的抵抗力更强，这可能是其变化不大的原因。此外TOC和DOC的显著性p值也小于0.05(图1)，表明底物碳源的可利用性也是控制湿地微生物群落结构的重要因素。

图1.  PLFAs相对丰度与环境参数的冗余分析。

WTD:水位埋深；TOC:总有机碳含量；DOC:溶解有机碳浓度；TN:总氮含量；T:空气温度；ORP:氧化还原电位；Cond:电导率；DO:溶解氧浓度。

更重要的是，随着大九湖湿地的水位下降，微生物PLFAs的δ¹³C值发生了偏负(图2)。不同微生物PLFAs的δ¹³C偏负程度不同，其中真菌的偏负程度最小，平均偏负1‰左右；其次是G+和放线菌，平均偏负2−3‰，而来自G−的PLFAs，特别是18:1ω7，18:1ω9，cy17:0的δ¹³C值偏负程度最大，平均偏负4−5‰，最大偏负可达12‰(图2)。同时这三种PLFAs的δ¹³C值与水位存在显著的负相关关系，表现为当水位下降到30cm的时候，PLFAs的δ¹³C值偏负接近−40‰。这三种PLFAs已经被证实是湿地中甲烷氧化菌合成的主要的PLFAs，因此它们δ¹³C的显著偏负指示了水位下降时期微生物甲烷氧化活动的增强。

图2. 大九湖湿地磷脂脂肪酸、总有机碳(Bulk)和溶解有机碳(DOC)的δ¹³C值在高水位和低水位时期的对比。(a)中圆圈代表高水位时期，三角形代表低水位时期。

进一步发现，湿地水位下降时微生物甲烷氧化活动的增强对湿地甲烷排放产生了显著影响。在高水位时期大九湖湿地的甲烷排放通量较高，在30−130 nmol/m²/s之间(图3)；水位下降后甲烷排放通量显著下降，特别是当水位下降至14 cm的时候，甲烷排放通量出现持续的负值(图3)，表明此时湿地不再排放甲烷反而吸收甲烷，这与增强的微生物甲烷氧化作用是一致的。同时表明微生物代谢活动的变化对湿地甲烷排放的影响是十分巨大的，不仅可以显著减少湿地甲烷排放，甚至可以暂时将湿地从甲烷源转变为甲烷汇。

图3. 不同水位条件下大九湖湿地甲烷排放通量

这项研究揭示了湿地短期水位下降可以快速改变湿地微生物群落结构和碳代谢活动，并且具有在短时间内减少湿地甲烷排放的潜力。这项研究还为解释地质历史时期泥炭地碳循环过程提供了一个现代证据。本研究结果还表明，在湿地恢复和管理过程中，要考虑水位变化对湿地微生物碳代谢活动和甲烷排放产生的影响。

实验室谢树成教授、Richard Pancost教授和Richard Evershed教授均参与了本研究的指导，研究得到了国家自然科学基金（No. U20A2094, 91951208, 41830319）、教育部“111”引智计划（BP0820004）等资助。

论文信息：

Title: Variations in wetland hydrology drive rapid changes in the microbial community, carbon metabolic activity, and greenhouse gas fluxes

Authors: Yiming Zhang, B. David A. Naafs, Xianyu Huang*, Qingwei Song, Jiantao Xue, Ruicheng Wang, Meiling Zhao, Richard P. Evershed, Richard D. Pancost, Shucheng Xie

Source: Geochimica et Cosmochimica Acta

DOI：10.1016/j.gca.2021.11.014

Available online：17 November 2021

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703721006591