在海洋沉積物中，厭氧甲烷氧化（Anaerobic Oxidation of Methane, AOM）的甲烷消耗量為20-300 Tg CH4 yr-1，占全球大氣甲烷通量的60-80%，對(duì)全球甲烷平衡和氣候變化有重要意義。濕地是陸地生態(tài)系統(tǒng)最主要的甲烷生物源之一，也是AOM發(fā)生的理想場(chǎng)所，但其發(fā)生機(jī)制仍不清楚。
稻田作為一種典型的人工濕地，高強(qiáng)度的人為干擾使其物理化學(xué)生物特性與天然濕地存在顯著差異。稻田土壤AOM過程的研究對(duì)正確認(rèn)識(shí)甲烷循環(huán)及全球變化背景下稻田管理措施的合理制定有特殊意義。目前最常用的土壤AOM活性測(cè)定方法為室內(nèi)震蕩培養(yǎng)法。這種方法一定程度上解除了甲烷在土水中的擴(kuò)散限制，與真實(shí)情況相比，引入誤差的風(fēng)險(xiǎn)較大。為解決該問題，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國哥廷根大學(xué)的研究人員采用新型替代培養(yǎng)法（圖1），實(shí)現(xiàn)了對(duì)中國科學(xué)院長(zhǎng)沙農(nóng)業(yè)環(huán)境觀測(cè)研究站長(zhǎng)期定位試驗(yàn)水稻土AOM活性的原位測(cè)定。該方法通過硅膠管將13C標(biāo)記的甲烷直接注入土壤中，以替代震蕩處理，模擬土壤自產(chǎn)甲烷的擴(kuò)散過程。經(jīng)過59天的培養(yǎng)，靜置培養(yǎng)的累積13C甲烷氧化量比搖動(dòng)培養(yǎng)高出了33-80％。在靜置培養(yǎng)條件下，培養(yǎng)瓶中的甲烷濃度不斷增加，而在搖動(dòng)培養(yǎng)下甲烷濃度無顯著變化。這表明震蕩處理同時(shí)抑制了甲烷的產(chǎn)生與厭氧氧化過程（圖2），與傳統(tǒng)方法相比，硅膠管替代培養(yǎng)法是一種更有效的土壤甲烷循環(huán)研究方法。將本研究測(cè)量的甲烷產(chǎn)生和氧化速率與文獻(xiàn)報(bào)道相結(jié)合，我們估計(jì)稻田AOM每年會(huì)減少2.0 Tg C的甲烷釋放量，約占中國稻田CH4凈排放總量的20％。該研究可為深入解析稻田減排潛力及稻田甲烷關(guān)鍵過程提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
該項(xiàng)研究近期以題為To shake or not to shake: Silicone tube approach for incubation studies on CH4 oxidation in submerged soils和To shake or not to shake: 13C-based evidence on anaerobic methane oxidation in paddy soil分別發(fā)表在Science of the Total Environment和Soil Biology and Biochemistry上。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中德國際合作項(xiàng)目、中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目、德國自然科學(xué)基金項(xiàng)目等資助。
圖1 硅膠管培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（左）和傳統(tǒng)搖蕩培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)裝置的示意圖（右）
圖2 基于同位素13C標(biāo)記技術(shù)展示搖蕩與靜態(tài)培養(yǎng)條件對(duì)甲烷厭氧氧化的影響機(jī)制