增溫強(qiáng)度對(duì)晉北賴草草地CH4通量的影響

彭潔 盧英帥 齊志遠(yuǎn) 燕學(xué)東 武帥楷 郝杰 陳曉鵬

doi：10.11733/j.issn.1007-0435.2024.01.012

引用格式：

彭? 潔， 盧英帥， 齊志遠(yuǎn)，等.增溫強(qiáng)度對(duì)晉北賴草草地CH4通量的影響［J］.草地學(xué)報(bào)，2024，32（1）：113-120

PENG Jie， LU Ying-shuai， QI Zhi-yuan，et al.Effects of Warming on Methane Flux in Leymus secalinus Grassland in Northern Shanxi［J］.Acta Agrestia Sinica，2024，32（1）：113-120

收稿日期：2023-05-30；修回日期：2023-11-21

基金項(xiàng)目：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)高層次引進(jìn)人才專項(xiàng)（2021XG008）；山西省科技廳平臺(tái)專項(xiàng)（202104010910017）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（32271682）資助

作者簡(jiǎn)介：

彭潔（1999-），女，漢族，新疆沙雅人，碩士研究生，主要從事草地生態(tài)與管理研究，E-mail：p2500921567@163.com；*通信作者Author for correspondence，E-mail：chenxp@sxau.edu.cn

摘要：溫度變化通過影響土壤甲烷代謝微生物及相關(guān)酶的活性進(jìn)而影響草地生態(tài)系統(tǒng)CH4通量。為明確晉北賴草（Leymus secalinus）草地生態(tài)系統(tǒng)CH4通量隨氣溫升高的變化趨勢(shì)及機(jī)理，采用開頂箱法（Open top chambers，OTCs）設(shè)置5個(gè)梯度的增溫處理，對(duì)增溫第4年各處理生長(zhǎng)季CH4通量及其影響因素進(jìn)行測(cè)定。結(jié)果表明：增溫顯著提高了空氣溫度，但隨著空氣溫度的增加，土壤溫度和土壤體積含水量無(wú)顯著變化；生長(zhǎng)季晉北賴草草地生態(tài)系統(tǒng)是弱的大氣CH4匯，其CH4平均吸收速率為（6.42±5.63） μg·m-2·h-1；增溫顯著影響CH4通量和pmoA功能基因豐度，與對(duì)照相比，只有W1處理促進(jìn)CH4吸收通量；冗余分析表明土壤體積含水量是同時(shí)影響pmoA基因豐度和CH4吸收速率的關(guān)鍵因子。本研究可為預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變暖情境下草地生態(tài)系統(tǒng)CH4通量變化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：OTC；溫室氣體；功能基因；甲烷吸收

中圖分類號(hào)：S891+.5??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????? 文章編號(hào)：1007-0435（2024）01-0113-08

Effects of Warming on Methane Flux in Leymus secalinus

Grassland in Northern Shanxi

PENG Jie1，2，3， LU Ying-shuai1，2，3， QI Zhi-yuan1，2，3， YAN Xue-dong1，2，3，

WU Shuai-kai1，2，3， HAO Jie1，2，3， CHEN Xiao-peng1，2，3*

（1. College of Grassland Science， Shanxi Agricultural University， Taigu， Shanxi Province 030801， China; 2. Shanxi Key

Laboratory of Grassland Ecological Protection and Native Grass Germplasm Innovation， Taigu， Shanxi Province 030801， China;

3. Youyu Loess Plateau Grassland Ecosystem National Research Station， Youyu， Shanxi Province 037200 ，China）

Abstract：Temperature changes affect soil methane metabolic microorganisms and related enzyme activities，which in turn affect CH4 flux in grassland ecosystems. To clarify the trends and mechanism of CH4 flux in Leymus secalinus grassland ecosystem under the trend of increasing temperature，the open-top chamber method was used to set up five gradient warming treatments，and the CH4flux and its influencing factors in the growing season of each treatment were measured in the fourth year of warming. The results showed that warming significantly increased air temperature，but with the increase of air temperature，soil temperature and soil volumetric water content did not change significant. During the growing season，the ecosystem of Leymus secalinus grassland in northern Shanxi was a weak atmospheric CH4 sink，an average absorption rate of （6.42±5.63） μg·m-2·h-1 CH4. Warming significantly affected CH4 flux and pmoA functional gene abundance. Compared with the control，only W1 treatment promoted CH4 uptake flux. Redundancy analysis showed that soil volumetric water content was a significant factor affecting both pmoA gene abundance and CH4 uptake rate. This study provides a theoretical basis for predicting CH4 flux changes in grassland ecosystems under different scenarios of future climate warming.

Key words：OTC;Greenhouse gas;Functional genes;Methane uptake

全球變暖是公認(rèn)的事實(shí)，預(yù)計(jì)2030年全球氣溫比工業(yè)化之前上升約1.5℃［1］。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1951年至2021年期間，中國(guó)地表年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，升溫速率為0.26℃·（10年）-1，高于同期全球平均升溫水平（0.15℃·（10年）-1）［2］。青藏高原地表氣溫自上世紀(jì)60年代至今平均每10 年升高0.37℃，升溫速率為全球的近2倍［3］；而同期北極升溫速率為0.63℃·（10年）-1，是同期全球升溫速率的3.7倍［4］。表明在氣候變暖大背景下，陸地生態(tài)系統(tǒng)在不同區(qū)域存在不同的增溫強(qiáng)度。不同增溫強(qiáng)度對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)影響的差異性更加需要關(guān)注和研究，以便制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，保護(hù)和維護(hù)地球上各個(gè)地區(qū)的生態(tài)平衡。

溫室氣體濃度的上升是全球氣溫升高的主要原因［5］。CH4是僅次于CO2的第二大溫室氣體，其百年尺度下增溫潛勢(shì)是CO2的28倍，對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)率達(dá)四分之一［6］。大氣中CH4濃度的變化由CH4源和匯的平衡決定，而土壤中的產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活動(dòng)控制了陸地生態(tài)系統(tǒng)CH4通量變化［7］。研究表明，增溫可通過改變土壤溫度、土壤濕度、及土壤養(yǎng)分循環(huán)等影響產(chǎn)甲烷菌和甲烷氧化菌的活動(dòng)［8-10］，進(jìn)而調(diào)節(jié)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤CH4通量變化。目前有關(guān)模擬增溫對(duì)CH4通量影響的研究已在草地生態(tài)系統(tǒng)中廣泛開展［7-10，11-20］。有研究預(yù)測(cè)，在1.5℃和3.0℃增溫下，旱地土壤CH4吸收量增加可以抵消CO2排放增量的9%和7%［11］。然而，增溫對(duì)草地（非濕地）土壤CH4通量影響的結(jié)果并不一致，絕大多數(shù)結(jié)果顯示增溫顯著增加CH4的吸收［12-15］，例如在增溫2.3℃條件下高寒草地土壤CH4吸收量比增溫1.2℃時(shí)平均增加了7倍［12］，其原因在于增溫增強(qiáng)了土壤水分蒸發(fā)以提高土壤孔隙中CH4和氧氣含量，同時(shí)增強(qiáng)了甲烷氧化菌以及關(guān)鍵酶（甲烷單加氧酶）的活性。但也有研究表明增溫對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)CH4吸收無(wú)顯著影響［16-20］，例如研究發(fā)現(xiàn)分別增溫1℃、2℃、3℃、4℃對(duì)納木錯(cuò)高寒草甸土壤CH4通量無(wú)顯著影響［18］，增溫2.48℃對(duì)天山高寒草原土壤CH4吸收也無(wú)顯著影響［20］。原因一是不同地區(qū)、不同類型草地土壤的水分狀況、氣體擴(kuò)散、土壤/根際環(huán)境和微生物群落變化對(duì)氣候變暖的差異化響應(yīng)，例如，在干旱或半干旱的生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物活動(dòng)主要受土壤水分的限制，導(dǎo)致土壤CH4通量過程對(duì)溫度變化的響應(yīng)并不敏感［16］；二是與增溫幅度的大小有關(guān)，例如有研究表明增溫4.5℃高寒草甸土壤CH4吸收量顯著增加，而增溫2.4℃時(shí)無(wú)顯著變化［15］。這是因?yàn)榧淄檠趸鷮?duì)溫度的變化較敏感，在5℃～10℃范圍內(nèi)甲烷的氧化作用逐漸上升，當(dāng)溫度上升到10℃～20℃范圍時(shí)控制作用明顯下降［21］，導(dǎo)致增溫對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)土壤CH4通量的影響及其機(jī)制并不明確。

另外，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)CH4通量及其機(jī)制的研究多集中泛北極、青藏高原等高寒草地生態(tài)系統(tǒng)，以及在單一的增溫處理下的效應(yīng)，對(duì)不同增溫強(qiáng)度對(duì)溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)的研究較為少見。因此，研究溫帶草地生態(tài)系統(tǒng)CH4通量對(duì)增溫強(qiáng)度的響應(yīng)及其機(jī)制，對(duì)于明確草地生態(tài)系統(tǒng)碳源匯功能對(duì)氣候變暖的反饋具有重要意義。本研究以晉北賴草草地生態(tài)系統(tǒng)為研究對(duì)象，設(shè)置5個(gè)梯度的增溫處理，測(cè)定CH4通量及其潛在影響因素并分析其相關(guān)關(guān)系，擬解決以下科學(xué)問題：（1）隨增溫幅度增加，晉北賴草草地CH4通量如何變化？（2）增溫強(qiáng)度通過影響哪些因素變化進(jìn)而影響CH4通量？

1? 材料與方法

1.1? 研究地點(diǎn)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于山西右玉黃土高原草地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站（39°59′ N，112°19′ E，海拔1 348 m）。氣候類型為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降雨量和平均氣溫為425 mm和4.6℃（1991—2019年），月平均氣溫以7月最高（20.5℃），1月最低（-14.0℃），全年太陽(yáng)總輻射量598 kJ·cm-2，年日照時(shí)數(shù)2 600～2 700 h，年均無(wú)霜期約為100～120天。優(yōu)勢(shì)種為賴草（Leymus secalinus），其他伴生種有堿蒿（Artemisia anethi folia）、草地風(fēng)毛菊（Saussurea amara）、鵝絨委陵菜（Potentilla anserina）等。土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，該地區(qū)土壤類型為栗鈣土［22-24］。

1.2? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

增溫試驗(yàn)平臺(tái)于2018年3月啟動(dòng)，采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)（圖1），利用開頂式透明箱（Open top chambers，OTCs）進(jìn)行增溫試驗(yàn)，該裝置用不銹鋼邊框?qū)⑼该骶埘ゲ牧瞎潭ǔ闪呅闻_(tái)狀覆蓋于草地之上，通過調(diào)節(jié)裝置的高度控制增溫效果［25］，設(shè)置0 cm（無(wú)玻璃的不銹鋼邊框）、40 cm、60 cm、80 cm、100 cm 5個(gè)高度（表1）為試驗(yàn)的5個(gè)增溫處理：CK、W1、W2、W3、W4，每處理5個(gè)重復(fù)。

1.3? CH4通量測(cè)量

使用靜態(tài)箱結(jié)合氣相色譜儀測(cè)定各處理2021年生長(zhǎng)季（5—10月）的CH4通量。采用尺寸為0.4 m×0.4 m×0.4 m的靜態(tài)箱倒扣在0.4 m×0.4 m帶凹槽的不銹鋼方形基架上（嵌入地下5 cm）形成密閉環(huán)境，靜態(tài)箱由不銹鋼制成，并覆蓋有保溫材料以盡量減少箱內(nèi)溫度的變化。為了混合箱內(nèi)的氣體，在每個(gè)靜態(tài)箱的頂部安裝了一個(gè)小風(fēng)扇，由12 V電源驅(qū)動(dòng)。每次測(cè)量時(shí)，將靜態(tài)箱放在方形基架上，用水注滿凹槽密封。然后用注射器分別在0，10，20和30 min時(shí)從該箱中取出100 mL氣體樣品，并儲(chǔ)存在氣袋（Delin Tech，China）中。在室內(nèi)，通過氣相色譜儀（GC-7890B;Agilent Co.，U.S.A.）分析氣體樣品的CH4濃度。采樣時(shí)間在晴天上午8：00—12：00，間隔10～15天進(jìn)行。CH4通量計(jì)算方法如下：

Fi=ρi（V/A）（P/P0）（T0/T）（dci/dt）

其中Fi為通量速率，ρi為標(biāo)準(zhǔn)條件下的密度，V為氣室容積，A為底部面積，P為氣壓，P0為標(biāo)準(zhǔn)氣壓，T0為標(biāo)準(zhǔn)溫度，T為氣溫，dci/dt為CH4累積增長(zhǎng)率［26］。

1.4? 土壤含水量、土壤溫度的測(cè)量

使用RC-4溫濕度記錄儀（RC-4HA/C，江蘇精創(chuàng)電氣股份有限公司）監(jiān)測(cè)各處理距地表10 cm的空氣溫度，使用土壤溫濕度自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Em50，Decagon，U.S.A.）連續(xù)監(jiān)測(cè)5厘米深度的土壤溫度（Soil temperature，ST）和土壤體積含水量（Soil volumetric water content，VWC），以上數(shù)據(jù)每隔10分鐘自動(dòng)記錄一次。

1.5? 土壤取樣和分析

2021年8月中旬在每個(gè)開頂箱內(nèi)使用土鉆（d=10 cm）隨機(jī)取3鉆0～10 cm的土壤，混合均勻后過2 mm篩去除植物殘?jiān)?、可見根以及石礫。一部分樣品風(fēng)干后測(cè)土壤pH值，一部分樣品儲(chǔ)存在4℃下，測(cè)定微生物生物量碳（Microbial biomass carbon，MBC）和微生物生物量氮（Microbial biomass nitrogen，MBN）。土壤pH值采用電極電位法測(cè)定，取適量風(fēng)干土，加入蒸餾水，配置成土水比為1∶2.5的溶液，用磁力攪拌器攪拌1 min后靜置30 min，用pH酸度計(jì)（PHS-3C;INESA Co.，Shanghai，China）測(cè)定溶液的pH值。采用氯仿熏蒸－K2SO4浸提法測(cè)定微生物生物量碳、氮，微生物生物量碳、氮含量分別為熏蒸浸提液與未熏蒸浸提液中碳氮含量的差值除以轉(zhuǎn)換系數(shù)0.45［27］、0.54［28］得到（總有機(jī)碳分析儀，TOC，Elementar vario，Germany）。

1.6? 功能基因的測(cè)定

1.6.1? 土壤DNA的提取? 甲烷氧化菌控制土壤中的CH4吸收，幾乎所有的甲烷氧化菌基因組都可編碼pmoA基因，因此，本研究通過對(duì)pmoA基因豐度的測(cè)定來(lái)表征增溫對(duì)土壤CH4氧化的潛在影響［29］。首先，稱取0.3 g的凍干土壤（-20℃），按照Fast DNA SPIN試劑盒（MP Biomedicals，Carlsbad，CA，USA）的標(biāo)準(zhǔn)化流程提取土壤總DNA，然后根據(jù)NanoDrop-2000（Thermo Fisher Scientific，Madison，WI，USA）檢驗(yàn)提取后的DNA濃度和260 nm和280 nm的光密度（Optical density，OD）值，須確保OD 260 mm/OD 280 mm取值范圍在1.8～2.0之間。最后，將提取后的DNA在-20℃下保存，用于實(shí)時(shí)熒光定量PCR試驗(yàn)。

1.6.2? pmoA功能基因豐度的測(cè)定? 通過StepOnePlus實(shí)時(shí)熒光定量PCR系統(tǒng)（Applied Biosystems，F(xiàn)oster，CA，USA）并結(jié)合實(shí)時(shí)熒光定量PCR（quantitative real-time PCR，q-PCR）的方法對(duì)pmoA功能基因的拷貝數(shù)進(jìn)行定量分析，將提取的土壤總DNA作為模板對(duì)pmoA功能基因片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增。選用20 μL反應(yīng)體系作為q-PCR的反應(yīng)體系：上游引物0.4 μL、下游引物0.4 μL、DNA模板2 μL、0.4 μL ROX參比染料（50×）、無(wú)菌水6.8 μl和SYBR Premix Ex Taq（Tli RNaseH Plus）10 μL。pmoA功能基因引物以及擴(kuò)增條件的設(shè)定：上游引物為A189f：5′-GGNGA CTGGGACTTCTGG-3′，下游引物為Mb661r：5′-CCGGMGCAACGTCYTTACC-3′［30］。q-PCR擴(kuò)增反應(yīng)程序?yàn)椋?5℃預(yù)變性60 s，95℃變性15 s，56℃退火60 s，72℃延伸45 s，共設(shè)置40個(gè)循環(huán)。每個(gè)土壤樣品重復(fù)三次，在定量分析的同時(shí)，將提純后的含有目的基因片段的質(zhì)粒DNA以1∶10的比率連續(xù)稀釋后進(jìn)行q-PCR擴(kuò)增，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)曲線，pmoA功能基因的拷貝數(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)曲線的閥域周期值計(jì)算得到，基因豐度以每克干土中基因拷貝數(shù)來(lái)表示。

1.7? 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2021整理原始數(shù)據(jù)。不滿足正態(tài)分布的數(shù)據(jù)，進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換；當(dāng)數(shù)據(jù)不滿足方差齊性，則方差分析方法采用welch檢驗(yàn)。使用SPSS（SPSS statistics 27.0，IBM，U.S.A.）進(jìn)行重復(fù)測(cè)量方差分析（Repeated measure ANOVA），分析增溫、月份及兩者交互作用對(duì)土壤CH4通量、土壤溫度和體積含水量的影響。用混合線性模型分析不同處理間土壤CH4通量、土壤溫度、土壤體積含水量、pH、MBC、MBN、pmoA功能基因豐度的差異（增溫為固定效應(yīng)，不同的重復(fù)為隨機(jī)效應(yīng)，P<0.05則判定為顯著）。使用Amos 28.0（SPSS Amos 28.0，IBM，U.S.A.）軟件進(jìn)行通徑分析（χ2/df范圍在1～3之間；P>0.05；近似誤差均方根RMSEA<0.05；比較擬合指數(shù)CFI與擬合優(yōu)度指數(shù)GFI～1.0則判斷為最佳適配模型）。用Canoco 5.0軟件（http：//www.canoco5.com）進(jìn)行冗余分析（CH4吸收速率和pmoA功能基因豐度為響應(yīng)變量，其他指標(biāo)為指示變量，響應(yīng)變量和指示變量夾角為銳角判定為正相關(guān)關(guān)系，鈍角為負(fù)相關(guān)關(guān)系，直角為無(wú)相關(guān)關(guān)系，P<0.05為顯著）。用Origin（Origin 2021，Origin Lab，U.S.A.）作圖。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 增溫強(qiáng)度對(duì)環(huán)境因子的影響

開頂箱增溫顯著提高了晉北賴草草地生長(zhǎng)季平均空氣溫度（圖2a），與對(duì)照相比，W1，W2，W3，W4處理生長(zhǎng)季平均空氣溫度分別增加了1.93℃、1.95℃、2.32℃、3.55℃（P＜0.05）。土壤溫度和體積含水量具有明顯的季節(jié)波動(dòng)特征（表2）。開頂箱增溫雖然顯著增加了空氣溫度，但對(duì)土壤溫度（圖2b）和體積含水量（圖2c）及其季節(jié)動(dòng)態(tài)（增溫×月份）均無(wú)顯著影響。增溫顯著影響土壤MBC含量，與對(duì)照相比，W1和W2顯著降低了土壤MBC含量（圖2e），但增溫對(duì)土壤pH（圖2d）和MBN（圖2f）無(wú)顯著影響，且各處理之間均無(wú)顯著差異。

2.2? 增溫強(qiáng)度對(duì)土壤pmoA基因豐度的影響

pmoA是控制土壤CH4氧化過程的關(guān)鍵功能基因，其豐度變化范圍為0.24～3.33×106copies·g-1（圖3）。增溫顯著影響pmoA基因豐度，W4處理pmoA基因豐度比W3和W1處理顯著高約50%，其余各處理間pmoA基因豐度無(wú)顯著差異。

2.3? 增溫強(qiáng)度對(duì)CH4通量的影響

晉北賴草草地生長(zhǎng)季CH4通量范圍在-23.17～18.40 μg·m-2·h-1（圖4a），對(duì)照處理生長(zhǎng)季平均CH4通量為-6.46±1.16 μg·m-2·h-1。5個(gè)處理CH4通量均呈單峰型季節(jié)變化趨勢(shì)，生長(zhǎng)季初期土壤CH4通量的吸收速率較低，在7月份出現(xiàn)吸收量峰值，隨后逐漸減少，存在顯著的季節(jié)性波動(dòng)（表2）。增溫顯著影響晉北賴草草地生態(tài)系統(tǒng)CH4通量，W2處理CH4通量顯著高于W1和CK，其余處理間CH4通量無(wú)顯著差異（圖4b），且增溫對(duì)CH4通量的季節(jié)波動(dòng)趨勢(shì)無(wú)顯著影響（表2）。

2.4? 增溫處理下CH4吸收與其潛在影響因素的相關(guān)關(guān)系

冗余分析（RDA）結(jié)果表明，第一和第二主成分對(duì)CH4吸收速率和pmoA基因豐度與潛在影響因素的解釋率分別為26.92%和2.71%（圖5a）。土壤體積含水量同時(shí)是pmoA基因豐度和CH4吸收速率的主要驅(qū)動(dòng)因子（圖5b），可解釋pmoA基因豐度和CH4吸收速率18%的變化（P<0.05）。

2.5? 增溫強(qiáng)度影響晉北賴草草地CH4通量的途徑

為闡明增溫強(qiáng)度對(duì)CH4吸收速率及甲烷氧化菌關(guān)鍵功能基因pmoA豐度的影響路徑，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)方程模型分析，結(jié)果表明：增溫影響CH4吸收的模型擬合失?。辉鰷仫@著增加pH值，進(jìn)而顯著影響pmoA基因豐度，模型解釋了不同增溫強(qiáng)度下甲烷氧化菌關(guān)鍵功能基因pmoA豐度30%的變化（圖6）。

3? 討論

甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)和活性隨土壤溫度、濕度以及其他環(huán)境條件（如pH和可利用氮含量）的變化而變化［31-35］。溫度會(huì)影響甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)、豐度及其所產(chǎn)生酶的活性，濕度可影響土壤中CH4和O2的氣體擴(kuò)散，進(jìn)而影響甲烷氧化速率［36］。開頂箱增溫第4年顯著增加了空氣溫度（1.93℃～3.55℃），但隨著空氣溫度的增加，土壤溫度和土壤體積含水量無(wú)顯著變化，與已有研究在草地上的應(yīng)用效果并不一致［8，12，17-18］。土壤溫度對(duì)植被變化的敏感性高于氣溫，植被覆蓋度較好會(huì)降低土壤熱通量以降低土壤溫度對(duì)氣溫的響應(yīng)的敏感性［37］。而本研究中植被覆蓋較好，地上生物量達(dá)到400 g·m-2［38］，減緩了氣溫升高對(duì)土壤溫度的影響，導(dǎo)致增溫強(qiáng)度并未顯著影響土壤溫度。一般而言，溫度增加會(huì)促進(jìn)土壤水分蒸發(fā)散失，引起土壤水分含量和土壤氧含量的變化，進(jìn)而影響土壤中的動(dòng)植物和微生物活動(dòng)以及土壤CH4通量［39］。但在本研究中增溫強(qiáng)度并未顯著影響土壤溫度，進(jìn)而對(duì)體積含水量也無(wú)顯著影響。

本研究中生長(zhǎng)季平均CH4通量小于0，表明晉北賴草草地在生長(zhǎng)季是大氣CH4匯，這與其他草地（非濕地）研究結(jié)果一致［7-10，11-20］。晉北賴草草地生長(zhǎng)季土壤CH4平均吸收速率為6.42 μg·m-2·h-1（圖4），低于青藏高原高寒草地12.1 μg·m-2·h-1［15］和內(nèi)蒙古典型草地41.2 μg·m-2·h-1［40］，不同類型草地生態(tài)系統(tǒng)的甲烷吸收速率可能受土壤溫度、土壤含水量等多種因素影響［40-41］。晉北賴草草地pmoA基因豐度平均為0.91×106 copies·g-1（圖3），低于內(nèi)蒙古典型草原1.28×106 copies·g-1（土壤pH為7.17～8.47）、西藏高寒草甸1.81×106 copies·g-1（土壤pH為5.32～8.56）、新疆高寒草甸5.79×106 copies·g-1（土壤pH為7.93～8.86）［42］、青藏高原高寒草地2.00×106 copies·g-1（土壤pH為5.46～5.59）［34］，表明甲烷氧化菌豐度較低可能是晉北賴草草地CH4吸收速率較低。

土壤水分主要是通過影響土壤中CH4和O2的氣體擴(kuò)散與甲烷氧化細(xì)菌活性以影響土壤CH4氧化［43］。空氣和水同時(shí)存在于土壤孔隙中，在土壤孔隙一定的情況下，一方容積增加另一方容積必然隨之減少。土壤水分含量升高時(shí)，土壤空氣減少，而CH4和O2的擴(kuò)散受到限制，降低甲烷氧化菌的豐度和活性，進(jìn)而降低CH4氧化速率，因此甲烷吸收和pmoA基因豐度與土壤體積含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［44-45］。本研究也發(fā)現(xiàn)，土壤體積含水量是CH4吸收和pmoA基因豐度的主要影響因子。

增溫影響CH4吸收的模型擬合失敗，可能是因?yàn)殡S著增溫強(qiáng)度的增加CH4通量的變化并非是線性的，而結(jié)構(gòu)方程模型是線性回歸模型無(wú)法表征非線性變化。本研究發(fā)現(xiàn)，增溫可通過增加土壤pH值進(jìn)而提高土壤甲烷氧化速率。適宜土壤微生物活動(dòng)的pH一般為中性，甲烷氧化菌的pH耐受范圍為5.5～8.5［46］，但Martin等［47-48］發(fā)現(xiàn)隨著土壤pH值變化，甲烷氧化菌種類會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致在pH值為2.3的強(qiáng)酸性和12強(qiáng)堿性土壤中，甲烷氧化作用仍可發(fā)生。因此，土壤甲烷氧化菌在較高的pH值下可能保持活性。

4? 結(jié)論

開頂箱增溫顯著提高了空氣溫度，但對(duì)晉北賴草草地土壤溫度和體積含水量無(wú)顯著影響；增溫顯著影響pmoA基因豐度和CH4通量，但增溫對(duì)CH4通量的季節(jié)波動(dòng)趨勢(shì)無(wú)顯著影響。土壤體積含水量是同時(shí)影響pmoA基因豐度和CH4吸收的關(guān)鍵因子。

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（責(zé)任編輯? 彭露茜）