大型植物相关甲烷氧化作用：削减农业排水沟甲烷排放的关键机制

《Aquatic Botany》：Macrophyte-associated methane oxidation as a key process diminishing methane emissions from agricultural drainage ditches

本研究针对农业排水沟作为甲烷(CH4)排放热点的问题，通过评估三种沉水植物对CH4氧化和产生潜势的影响，揭示了植物生物量是调控CH4氧化效率的关键。结果表明，植物相关CH4氧化可削减高达97%的排放，而清淤管理通过改变植物生物量显著影响这一“甲烷过滤器”功能。该研究为通过优化水渠管理以减缓温室气体排放提供了关键科学依据。

　　

在全球气候变化背景下，甲烷(CH₄)作为一种温室效应远超二氧化碳(CO₂)的强效温室气体，其排放控制日益受到关注。自然和人工水生生态系统贡献了全球年CH₄排放量的一半左右，其中，农业排水沟渠被认为是CH₄产生和排放的热点区域。这些人为的浅水内陆水体通常通过清淤和水下植被刈割进行管理。水下植被通过影响CH₄的产生、氧化和传输过程，潜在地强烈影响着CH₄的排放。然而，不同沉水植物种类及其形态特征如何控制CH₄氧化，以及它们在多大程度上氧化了水生生态系统中产生的总CH₄，仍知之甚少。解决这些问题对于制定基于自然的气候变化减缓策略至关重要。

为了深入探究这一问题，由Radboud University的Quinten Struik等人组成的研究团队在《Aquatic Botany》上发表了一项研究，重点揭示了大型植物相关甲烷氧化在削减农业排水沟CH₄排放中的关键作用。研究人员选取了荷兰乌得勒支奶牛场两条农业排水沟作为研究对象，在2023年的生长季（5月至9月）进行了监测。研究的关键技术方法包括：每月对两条沟渠（一条在研究中被清淤，另一条作为对照）进行环境参数（溶解氧、pH、水温、电导率）监测和水生植物生物量调查；使用批量培养法量化三种主要沉水植物（伊乐藻 (Elodea nuttallii)、蓖齿眼子菜 (Stuckenia pectinata) 和金鱼藻 (Ceratophyllum demersum)）的根和茎在不同季节（5月、7月、9月）的潜在CH₄氧化和产生速率；通过设置不同氧气浓度（缺氧、低氧、中氧、高氧）的培养实验，探究氧气可用性对植物相关CH₄氧化潜势的影响；同时，结合使用漂浮通量箱和气泡陷阱法，同步测量沟渠的扩散式和气泡式CH₄排放通量；最后，通过整合植物生物量数据、潜在氧化速率和现场排放数据，构建了沟渠的CH₄收支平衡，估算了植物相关氧化作用对总CH₄产生的贡献比例。

3.1. 大型植物生物量密度

研究发现，沟渠中的水生植物群落组成随季节变化显著，但伊乐藻始终是优势物种。清淤事件对植物生物量产生了巨大影响。在7月底被清淤的A沟渠，植物生物量从6月（春季）的约2900克湿重/平方米急剧下降到8月（夏季）的约330克湿重/平方米。而未被清淤的B沟渠，其生物量则从春季的约650克湿重/平方米显著增加到夏季的约1700克湿重/平方米。这表明清淤管理是控制沟渠水生植物生物量的一个关键外部因素。

3.2. 大型植物相关CH₄氧化和产生潜势

3.2.1. CH₄氧化

在所有植物的根和茎样本上都检测到了CH₄氧化活性，其速率范围在0.003至16.3 μmol CH₄gWW^-1h^-1之间。研究发现，CH₄氧化潜势受到月份、植物部位（根或茎）和植物种类的显著交互影响。总体而言，5月份（生长季初期）的氧化速率显著高于7月和9月。其中，伊乐藻的根在5月份表现出最高的氧化潜势。这表明植物相关的甲烷氧化活性具有明显的季节性和物种特异性。

3.2.2. CH₄氧化的氧气依赖性

氧气可用性显著影响CH₄氧化潜势。在缺氧条件下，几乎检测不到CH₄氧化。令人惊讶的是，最高的氧化速率出现在低氧条件下（~1-2 mg O₂L^-1），而非高氧条件。对于金鱼藻，在中氧条件下（~3-4 mg O₂L^-1）甚至出现了净负氧化（即表现出发射）。这表明甲烷氧化菌（Methanotrophs）可能在微氧环境中活性最高，过高或过低的氧气浓度均会抑制其活性。

3.2.3. CH₄产生

在厌氧黑暗条件下，所有植物物种的根和茎都表现出CH₄产生潜势。总体而言，植物茎部的CH₄产生潜势显著高于根部。这表明植物残体本身在厌氧分解过程中也是CH₄的一个来源，凸显了植物在CH₄循环中的双重角色（既促进氧化，也潜在贡献产生）。

3.3. 大型植物性状

研究人员发现，植物表面积是与CH₄氧化潜势相关性最高的形态性状（R2 = 0.39）。将采样月份和物种身份纳入模型后，解释度显著提高（R2 = 0.77）。这表明更大的比表面积为甲烷氧化菌提供了更多的栖息位点，是影响其氧化能力的关键物理因素，且这种关系受到季节和物种差异的调节。

3.4. 产生的CH₄的去向

通过整合数据估算CH₄收支发现，植物相关CH₄氧化对削减总排放的贡献巨大，且强烈依赖于植物生物量。在生长季初期（春季），A沟渠和B沟渠分别有96%和75%的估计CH₄产生量被植物相关的氧化作用消耗掉。到了夏季，在未被清淤的B沟渠，这一贡献率仍保持在52%；而在被清淤的A沟渠，由于生物量骤减，贡献率急剧下降到仅6%。尽管清淤移除了部分可产生CH₄的有机质，但因其同时摧毁了强大的“CH₄过滤器”（植物及其附着的甲烷氧化菌），最终导致了更高的净CH₄排放，尤其是气泡式排放（Ebullition）显著增加。

该研究的结论和讨论部分强调了沉水植物作为水生生态系统“甲烷过滤器”的关键作用。其重要意义在于揭示了植物生物量是调控这一过滤效率的核心因素。清淤管理等人类活动通过直接改变植物生物量，深刻影响了沟渠的CH₄净排放。研究指出，为了最大化植物相关的CH₄减缓效应，清淤和刈割的时间点至关重要。避免在生长季中期移除植物，可以延长CH₄氧化的持续时间；而在生长季末期进行清理，则可以限制植物残体在随后时期的厌氧分解，从而减少CH₄的产生。这种基于生态系统过程的管理策略，为从农业排水沟这一重要但常被忽视的排放源着手，实现气候智能型水资源管理提供了科学且可行的路径。尽管研究存在诸如培养条件与自然环境的差异等不确定性，但通过敏感性分析表明，即使考虑这些不确定性，植物相关氧化作用的核心结论仍然是稳健的。这项研究将微生物过程（甲烷氧化）、植物生态学和水体管理实践联系起来，为理解和管理浅水生态系统的温室气体通量提供了新的视角。