氮磷對甲烷吸收的影響進(jìn)展及其在半干旱草地的研究缺口

張麗華, 顧雪瑩, 趙 營

(1.中央民族大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 北京 100081; 2.中國科學(xué)院植物研究所, 北京 100093)

甲烷(CH4)是僅次于CO2的一種重要溫室氣體,對全球變暖的貢獻(xiàn)占全部溫室氣體的20%,百年時間尺度上,CH4的單分子增溫潛勢遠(yuǎn)大于CO2,約是CO2的25倍[1]。同時,CH4又參與了一些重要的大氣光化學(xué)反應(yīng),如破壞平流層臭氧等[1-2]。近年來,大氣CH4濃度的增加引起了各國政府和科學(xué)家的高度關(guān)注。占陸地面積20%的干旱、半干旱草地生態(tài)系統(tǒng),是大氣甲烷的重要“匯”之一,在調(diào)節(jié)大氣甲烷濃度及氣候變化過程中起著重要作用[2]。目前,全球變化和人類活動引起的氮磷沉降增加[3-4]已經(jīng)改變了草地生態(tài)系統(tǒng)的這種“匯”功能。

氮、磷等營養(yǎng)元素是生物圈養(yǎng)分循環(huán)的基本元素,也是陸地生態(tài)系統(tǒng)建立和維持不可缺少的元素。自工業(yè)革命以來,氮沉降加劇導(dǎo)致的生態(tài)系統(tǒng)在氮增加壓力下的磷限制越來越受到關(guān)注[5]。已有研究表明:氮增加對甲烷吸收能夠產(chǎn)生抑制、促進(jìn)和無影響三種作用[6],迄今為止對于半干旱地區(qū)的抑制作用已經(jīng)達(dá)成共識[7-8]。雖有少數(shù)幾個試驗研究氮磷交互對于CH4吸收的影響[9-11],但是關(guān)于磷增加是否會影響高氮對甲烷吸收的抑制作用及其發(fā)生機(jī)制還不清楚[12]。同時,這些研究大多集中在森林和農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng),關(guān)于草地生態(tài)系統(tǒng)氮磷交互以及磷對減緩氮對甲烷吸收的抑制作用及其發(fā)生機(jī)制還沒有相應(yīng)的研究[13-14]。

目前對于半干旱地區(qū),基本公認(rèn)的高氮對甲烷吸收的抑制作用[15]發(fā)生機(jī)制,主要是基于競爭理論:氨態(tài)氮和甲烷具有相似的分子結(jié)構(gòu),因而對其提供能量來源的基質(zhì)底物(主要是甲烷單氧化酶和銨單氧化酶結(jié)構(gòu)功能相似)產(chǎn)生競爭[16]。而磷增加后是否會改變這種競爭關(guān)系,減緩干旱半干旱地區(qū)氮對甲烷吸收抑制作用,目前還沒有定論,其微觀(分子和基因)生物學(xué)的驅(qū)動機(jī)制尚不清楚。因此,關(guān)于氮磷交互及其磷增加對于氨態(tài)氮抑制作用的減緩機(jī)制有待深入研究。

1 氮對甲烷吸收的影響

上世紀(jì)80年代以來,關(guān)于氮對甲烷吸收影響的機(jī)制研究陸續(xù)展開了許多。自Steudler等[17]1989年首次在溫帶森林的土壤中發(fā)現(xiàn)了氨態(tài)氮對甲烷吸收的抑制作用后,關(guān)于其抑制作用的發(fā)生機(jī)理以及在其他生態(tài)系統(tǒng)是否也發(fā)生這種現(xiàn)象陸續(xù)開展了許多研究。例如:甲烷和氨態(tài)氮的氧化競爭關(guān)系原理及其未知的生物學(xué)驅(qū)動機(jī)制的綜述[18],揭開了生態(tài)學(xué)家關(guān)于氮對甲烷在不同尺度(點-面),不同層次(生物化學(xué)-微生物-生態(tài)系統(tǒng)),以及不同生態(tài)系統(tǒng)類型(農(nóng)田-森林-濕地-草地)上影響的研究序幕。之后大致經(jīng)歷了三個階段性的進(jìn)展:最初是關(guān)于結(jié)論的不確定性(抑制、促進(jìn)、中性),然后是一些初級的宏觀生態(tài)學(xué)影響機(jī)制的探討(環(huán)境因素如溫度、水分、pH值等),之后便是基本定論的抑制競爭作用及其發(fā)生的微生物學(xué)驅(qū)動機(jī)制研究的探討。

關(guān)于氨態(tài)氮抑制甲烷吸收的現(xiàn)象及其發(fā)生機(jī)理探討,始于上個世紀(jì)70,80年代,興于90年代初,且一直持續(xù)到現(xiàn)在[19]。最初是關(guān)于現(xiàn)象的一些描述,如在草地生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)氮對甲烷吸收產(chǎn)生抑制作用[2],在森林土壤中氨態(tài)氮對甲烷吸收的抑制作用隨著土壤甲烷濃度的增加而增強(qiáng)[20],硝態(tài)氮對甲烷吸收也產(chǎn)生抑制作用[21];但其發(fā)生機(jī)制尚不清楚[22]。之后開始出現(xiàn)一些初步的關(guān)于機(jī)理探討的研究,如:土壤微區(qū)試驗中氨態(tài)氮和硝態(tài)氮均降低甲烷的吸收[23];氨態(tài)氮對甲烷吸收的抑制作用隨著土壤含水量的增加而降低[24];野外控制試驗中氨態(tài)氮對甲烷吸收沒有影響,而室內(nèi)培養(yǎng)試驗中氨態(tài)氮對甲烷氧化產(chǎn)生滯后的抑制效應(yīng)[25];未來氮沉降不會改變阿拉斯加的旱地北方林和苔原土壤中的甲烷氧化能力[26],緩慢的氮沉降對英國西南部溫帶落葉林土壤甲烷吸收沒有影響[27];短期和長期試驗中的氨態(tài)氮均抑制農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)甲烷吸收[28],且氨態(tài)氮的抑制作用隨著培養(yǎng)時間的延長而增加[29];而添加硫酸銨抑制尼泊爾的森林、牧場、灌溉稻田和小麥-小米輪作地土壤甲烷的吸收[30];氨態(tài)氮對森林土壤甲烷氧化的抑制作用在12%～84%之間[31],且在南韓的溫帶森林土壤中表現(xiàn)出“高抑低促”現(xiàn)象[32],非濕地土壤中氮添加對甲烷通量的影響拐點發(fā)生在施氮量100 kg·ha-1·a-1[7]。至此氮對甲烷吸收的作用由簡單的抑制和促進(jìn)轉(zhuǎn)變成了“高抑低促”,探討這種影響的正確機(jī)制,需要更多的控制試驗和野外原位試驗以及結(jié)合模型模擬等手段[33]。

在這個過程中,關(guān)于氮對甲烷吸收的微生物驅(qū)動機(jī)制研究隨著新科技的發(fā)展也慢慢興起了。在農(nóng)業(yè)和旱地森林土壤均發(fā)現(xiàn)了氮對甲烷氧化的酶驅(qū)動機(jī)制的底物競爭原理[34],但這種機(jī)制是如何發(fā)生的尚不清楚[15-16];甲烷氧化菌和氨氧化菌彼此都能氧化甲烷和氨,但其中的比例關(guān)系及貢獻(xiàn)尚未明確[35];但有研究認(rèn)為硫酸銨對甲烷氧化的抑制作用主要是由于鹽的滲透脅迫作用,雖然氨態(tài)氮也有額外的抑制作用[36]。直到現(xiàn)在,關(guān)于氨態(tài)氮對甲烷吸收的抑制現(xiàn)象基本得到了公認(rèn),雖然此后也有一些相同和不同的研究結(jié)論,如:美國柳枝稷草地的研究、日本北部的落葉松林的研究均發(fā)現(xiàn)氮降低甲烷(通量)吸收[37]和氧化[38]。而青藏高原的研究中發(fā)現(xiàn)氮對甲烷沒有影響[39]。中國的溫帶森林不同形態(tài)的氮對甲烷影響的研究發(fā)現(xiàn),氨態(tài)氮而不是硝態(tài)氮是甲烷氧化的主要抑制因素[40]。

2 磷對甲烷吸收的影響

在氮對甲烷影響研究的整個發(fā)展歷程中(自上世紀(jì)80年代以來),關(guān)于磷對甲烷吸收影響的研究一直涉及較少[44]。雖然Blankinship探討了全球變化(增溫、增雨、CO2濃度增加,氮沉降增加)的交互作用對美國加州中部一年生草地甲烷吸收的影響,但未涉及磷的作用[45]。直到Harpole等[46]發(fā)表在ecology letters上的文章提出營養(yǎng)元素對初級生產(chǎn)者群落交互限制的概念(Nutrient co-limitation of primary producer communities),磷的影響才慢慢受到關(guān)注。此后,印度尼西亞的馬占相思樹(Acaciamangium)種植林中發(fā)現(xiàn)磷添加促進(jìn)甲烷吸收[47];而另一個試驗中磷對甲烷吸收有輕微抑制作用[47]。Veraart等[8]綜述了稻田、農(nóng)田、垃圾填埋場、泥炭地、永凍層土壤和森林土壤中甲烷氧化對磷的響應(yīng),發(fā)現(xiàn)了2例輕微的抑制,4例促進(jìn),5例沒影響,磷與其他底物元素(碳和氮)結(jié)合時,對甲烷通量起著重要的調(diào)控作用[49],進(jìn)一步明確了磷的重要作用。之后也有一些不同的研究結(jié)果,如:Mori等[50]利用泰國的熱帶種植林土壤進(jìn)行磷添加對甲烷影響的培養(yǎng)試驗,發(fā)現(xiàn)磷對任何土壤的甲烷氧化都沒有影響。

3 氮磷對甲烷吸收的影響

關(guān)于氮磷交互作用對甲烷吸收影響的研究,最初是Keller等[51]首次沿著雨養(yǎng)-礦養(yǎng)泥炭地梯度(ombrotrophic-minerotrophic peatland gradient)提出氮磷對泥炭地甲烷氧化的影響,在長期和短期尺度上扮演不同角色,且受泥炭地類型的影響很大。此后,中國南部的熱帶森林探討了增加磷可以減緩氮對甲烷吸收的抑制作用,主要由于磷添加可能會增加甲烷氧化菌活性,所以對減緩氮對甲烷吸收的抑制作用有潛力[52]。但他們只發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象,關(guān)于其微生物學(xué)的驅(qū)動機(jī)制并未進(jìn)行深入的研究和探討。Jugnia等[53]在垃圾填蓋土的試驗中發(fā)現(xiàn)綜合考慮氮磷鉀比單獨施氮對甲烷氧化菌的影響更重要。Zheng等[54]在稻田土壤的短期培養(yǎng)試驗中發(fā)現(xiàn),氮和磷均降低甲烷的氧化能力,磷的抑制作用與氮比較稍弱。在中國南方混交林中的氮磷交互作用試驗中,磷添加并沒有減緩氮對甲烷氧化的抑制作用[10],氮磷對甲烷氧化產(chǎn)生加和的抑制作用[55];而在中國西南的氮飽和亞熱帶森林土壤中發(fā)現(xiàn),磷添加可以減緩甲烷排放,并且使該土壤由甲烷“源”變成甲烷的“匯”[56];且氮飽和狀態(tài)下的磷添加,可以改善土壤養(yǎng)分不平衡,減緩該區(qū)甲烷排放[57-58]。但是他們均沒有對影響的發(fā)生機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的探討。

4 研究假設(shè)的機(jī)理概念模型

綜合以上研究結(jié)果,氮磷對甲烷氧化影響的研究結(jié)論不一致,且關(guān)于磷添加是否會減緩氮對甲烷氧化的抑制作用至今仍然沒有定論[59-60],其發(fā)生的驅(qū)動機(jī)制以及全球尺度上的分布尚不清楚,尤其是在半干旱草原地區(qū)。因此,我們基于前期在半干旱草原的試驗數(shù)據(jù)和已有理論基礎(chǔ),提出一個機(jī)理概念模型(圖1)解釋草地生態(tài)系統(tǒng)氨態(tài)氮和甲烷之間競爭關(guān)系的生態(tài)學(xué)現(xiàn)象及發(fā)生機(jī)理,探討磷添加是否會改變這種競爭關(guān)系,以及對這種競爭關(guān)系改變的宏觀生態(tài)學(xué)發(fā)生機(jī)理和微生物學(xué)驅(qū)動機(jī)制?？紤]到甲烷和氨態(tài)氮對甲烷單加氧化酶(Methane monoosygenase,MMO)的競爭作用[15],我們假設(shè)磷添加能夠刺激植物吸收土壤中更多的氮,導(dǎo)致土壤中的氮減少,因而與甲烷的競爭作用減弱,減緩氮對甲烷氧化的抑制作用。在這個概念模型中,我們假設(shè)MMO是唯一讓甲烷和氨態(tài)氮產(chǎn)生競爭的酶催化基質(zhì),因此在沒有添加氮磷的情景下(圖1b),若草地植被生長只受氮限制,經(jīng)過長期的進(jìn)化演替,該系統(tǒng)達(dá)到了一個相對穩(wěn)定的狀態(tài),在這種相對穩(wěn)定的狀態(tài)下,土壤中的氮主要被植物和微生物吸收,用來滿足自身生長的需求,與甲烷產(chǎn)生競爭的氮量很小(圖1b);因此,在只施氮的情形下,土壤中的氮含量急劇增加,與甲烷競爭的氮增加,抑制了土壤中甲烷的氧化(圖1a);如果氮磷同時增加,增加的磷可能會刺激植物吸收土壤中更多的氮,減少了土壤中與甲烷競爭的氮,因而減緩了單獨施氮情形下氮對甲烷氧化的抑制作用(圖1c)。

圖1 甲烷和氨態(tài)氮對甲烷單加氧化酶(MMO)的競爭機(jī)理假設(shè)Fig.1 Competitive mechanism hypothesis of methane and ammoniacal nitrogen against methane oxidizing bacteria (MMO)注:a圖表示添加氮的情景,b圖表示沒有添加氮磷的情景,c圖表示氮磷同時添加的情景,綠色星星表示氮,紫色多邊形表示甲烷,黃色橢圓表示甲烷單加氧酶(MMO),箭頭的粗細(xì)表示大小Note:the figure a represents the scenario with nitrogen deposit,the middle part figure b the scenario without deposit of nitrogen and phosphorus,figure c the scenario with deposit of both nitrogen and phosphorus. The green stars denote nitrogen,purple polygons methane,yellow ellipses methane monooxygenases (MMO);and thickness of the arrows represents the size

為了驗證這些假設(shè),我們依托內(nèi)蒙古多倫站長期施氮和養(yǎng)分添加試驗平臺,基于野外原位觀測試驗、室內(nèi)培養(yǎng)試驗,結(jié)合meta分析和模型模擬,主要應(yīng)用靜態(tài)箱-氣相色譜、高通量測序技術(shù)、R語言、ArcGIS、Matlab、NCL、C++、Fortran等技術(shù)手段和計算機(jī)程序語言,探討長期施氮條件下半干旱草地甲烷吸收的變化規(guī)律,闡明磷添加對減緩氮對甲烷氧化抑制作用的影響,揭示氮磷交互對甲烷氧化的影響規(guī)律及宏觀生態(tài)學(xué)發(fā)生機(jī)制,預(yù)測基于未來氮磷沉降增加情景下全球草地甲烷吸收的分布規(guī)律和變化趨勢。該成果已經(jīng)于2020年4月份發(fā)表在國際著名期刊Ecology Letters上[61]。我們的研究結(jié)果表明,磷添加確實減緩了半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)氮對甲烷吸收的抑制作用,而且這種減緩作用在全球分布尺度上也存在。

5 結(jié)語

綜合以上所述,我們試圖提出一些有待解決的科學(xué)問題:1):半干旱草地土壤中氮對甲烷吸收的抑制作用發(fā)生的微觀機(jī)理,氮是如何通過影響土壤中甲烷氧化菌群的分布、結(jié)構(gòu)、功能和動態(tài)來抑制甲烷吸收的?2):磷添加后這種抑制作用的減緩是如何通過改變甲烷氧化菌群及其它微生物活動來達(dá)到這種減緩作用的?3):全球尺度上甲烷吸收和排放的空間分布格局,如何在氮磷交互的影響下發(fā)生變化,其發(fā)生的微觀驅(qū)動機(jī)制是什么?

這些問題有助于深入解釋甲烷及其氧化菌群的空間異質(zhì)性差異及其在全球變化背景下的變化趨勢分布,有助于尋找實現(xiàn)控制全球甲烷排放或吸收的微生物及基因資源庫[62]。防止全球甲烷排放增加,減緩由此引起的溫室效應(yīng),減緩氮對土壤甲烷氧化的抑制作用,以及土壤微生物氧化甲烷等方面起到積極的推動作用。