洞庭湖区四种土地利用类型的土壤产甲烷菌与甲烷氧化菌群落：与潜在甲烷产量的关联 中文标题

《Agronomy》：Soil Methanogen and Methanotroph Communities of Four Land Use Types in Dongting Lake Area: Linkages with Potential Methane Production Zhexuan Zhang, Dandan Gao, Wenrong Yang, Mengqiang Wang, Xunjie Liu and Jie Zhao

本研究以洞庭湖区四种典型土地利用类型为对象，系统揭示了其土壤潜在甲烷产量、产甲烷菌与甲烷氧化菌群落差异及关键驱动因素。研究发现，高氮磷输入的稻田和菜地其土壤产甲烷潜力、关键功能基因丰度（mcrA/pmoA）显著高于杨树林与自然湿地，且土壤潜在甲烷产量变化主要由产甲烷过程（而非甲烷氧化过程）驱动。该工作为湿地生态系统温室气体减排与土地利用规划提供了重要科学依据。

　　

引言

甲烷（CH₄）是大气中仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大温室气体，其增温潜势是CO₂的23倍，对全球变暖贡献显著。湿地是CH₄的重要自然源，而土地利用变化是影响CH₄排放的关键因素。位于中国湖南省的洞庭湖是重要的河连湖泊湿地，在提供调蓄、固碳、生物多样性保护等生态系统服务方面发挥关键作用。然而，自上世纪以来，大量自然湿地被开垦为农田（稻田、菜地）或转为人工杨树林，显著改变了区域土地覆被。CH₄的土壤-大气交换取决于产甲烷菌和甲烷氧化菌介导的CH₄产生与氧化过程的平衡。然而，洞庭湖区土地利用变化如何影响这两种关键微生物的丰度与群落结构，进而调控土壤潜在甲烷产量，其内在驱动机制尚不清晰。

本研究旨在明确洞庭湖区不同土地利用类型下土壤潜在甲烷产量（PMP）的关键调控因子，并阐明其微生物学驱动机制。我们选取了该区域四种最常见的土地利用类型：自然湿地、杨树林、稻田和菜地。假设是，土地利用变化引起的土壤养分差异驱动了产甲烷菌和甲烷氧化菌群落的变化，进而调控CH₄的产生潜力；同时，由于生长季养分（如肥料）输入较高，稻田和菜地的潜在甲烷产量可能高于自然湿地和杨树林。

材料与方法

研究区域位于洞庭湖国家级自然保护区。2021年11月，在洞庭湖周边设置4个重复的区块，每个区块内包含全部四种土地利用类型。每种利用类型下设置一个20×20米的样地，采集0-20 cm深度的土壤混合样品，共计16个样品。测定土壤理化性质，包括土壤含水量（SWC）、pH、有机碳（SOC）、总氮（TN）、总磷（TP）、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N）和溶解性有机碳（DOC）等。

潜在甲烷产量测定：将10g鲜土与10mL无菌无氧水置于培养瓶中，在30°C黑暗条件下静态培养。在1、30、60分钟时采集顶空气体，通过气相色谱仪（Agilent 7890A）测定CH₄浓度，并依据线性回归斜率计算潜在甲烷产量，单位为μg g^-1h^-1。

微生物群落分析：提取土壤总DNA。采用实时定量PCR（qPCR）技术，分别使用针对产甲烷菌功能基因mcrA和甲烷氧化菌功能基因pmoA的特异性引物，测定其基因拷贝数。通过Illumina MiSeq平台对mcrA和pmoA基因进行高通量测序，分析两种微生物的群落组成。原始序列经过质控、去嵌合体、校正移码错误后，分别以70%的氨基酸相似性阈值（相当于16S rRNA基因97%的相似性）聚类为操作分类单元（OTU）。利用主坐标分析（PCoA）、相似性分析（ANOSIM）、典型相关分析（CCA）等方法分析群落结构与土壤理化因子的关系。

结果

土壤理化性质：稻田和菜地的土壤有机碳（SOC）和土壤含水量（SWC）显著高于杨树林和自然湿地。自然湿地的pH显著高于稻田和菜地。稻田和菜地的总氮（TN）浓度显著高于自然湿地。

潜在甲烷产量与功能基因丰度：稻田和菜地的土壤潜在甲烷产量（分别为0.26±0.02和0.26±0.01 μg g^-1h^-1）显著高于杨树林（0.16±0.01 μg g^-1h^-1）。对应地，稻田和菜地的mcrA基因（产甲烷菌标志基因）和pmoA基因（甲烷氧化菌标志基因）丰度也显著高于自然湿地和杨树林。例如，稻田和菜地的mcrA基因丰度分别为0.84±0.05×10⁸和1.23±0.15×10⁸copies g^-1，远高于自然湿地（0.09±0.01×10⁸copies g^-1）和杨树林（0.08±0.03×10⁸copies g^-1）。

潜在甲烷产量的微生物驱动：相关性分析显示，潜在甲烷产量与mcrA基因丰度（R²= 0.38）和pmoA基因丰度（R²= 0.31）均呈显著正相关。然而，pmoA基因丰度与潜在甲烷产量的回归线斜率明显浅于mcrA基因。这表明，土壤潜在甲烷产量的变化主要受CH₄产生过程（即产甲烷菌）增强的驱动，而非CH₄氧化过程（即甲烷氧化菌）的减弱。

微生物群落组成差异：高通量测序共获得579,489条高质量mcrA序列（聚类为1092个OTU）和383,129条高质量pmoA序列（聚类为678个OTU）。在属水平上，产甲烷菌群落以Methanosarcina、Unclassified-Methanosarcinaceae等为主，其相对丰度在不同土地利用类型间存在显著差异。甲烷氧化菌群落中，Norank-Alphaproteobacteria的相对丰度在自然湿地中最高，在稻田和菜地中显著降低。主坐标分析（PCoA）表明，土地利用类型显著影响了产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落结构，且稻田与菜地的微生物群落结构高度相似，与自然湿地和杨树林明显分离。

关键环境驱动因子：典型相关分析（CCA）和相关性分析揭示，土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）、土壤含水量（SWC）和pH是调控产甲烷菌与甲烷氧化菌群落组成及其基因丰度的关键非生物因子。其中，土壤TN、SOC、SWC与mcrA、pmoA基因丰度及潜在甲烷产量呈显著正相关，而pH则呈显著负相关。

讨论

研究发现，经过高强度人为管理（长期施肥、周期性淹水或灌溉）的稻田和菜地，其土壤潜在甲烷产量显著高于杨树林。这与我们最初的假设一致。这种差异可部分归因于稻田和菜地更高的土壤养分（如有机碳、总氮）和含水量，为产甲烷菌的生存与活动创造了更有利的条件。尽管甲烷氧化菌的丰度也与潜在甲烷产量正相关，但其回归斜率较产甲烷菌更缓，这表明在本研究区域，产甲烷过程是调控潜在甲烷产量变化的主导环节。甲烷氧化过程可能在很大程度上依赖于CH₄的产生速率和土壤中的CH₄浓度。土地利用变化通过改变土壤理化性质（尤其是SOC、TN、SWC和pH），驱动了产甲烷菌和甲烷氧化菌在丰度与群落结构上的显著分异，进而影响了土壤的CH₄产生潜力。产甲烷菌与甲烷氧化菌之间的权衡共同决定了最终的潜在甲烷产量。

本研究也存在一定局限，例如缺乏对田间实际CH₄排放通量的原位监测，也未考虑土壤氧化还原电位（Eh）、温度等环境因子。未来的研究需要扩大样本量，并开展长期定位观测，以更全面地刻画洞庭湖区CH₄排放及其相关微生物群落的空间异质性。

结论

本研究系统比较了洞庭湖区四种土地利用类型的土壤潜在甲烷产量及其微生物机制。集约化管理的稻田和菜地表现出显著高于杨树林的产甲烷潜力。土壤产甲烷菌与甲烷氧化菌的丰度、群落结构在不同土地利用类型间差异显著，且主要受土壤有机碳、总氮、含水量和pH等关键因子的调控。综合表明，在洞庭湖区，产甲烷菌在调节土壤潜在甲烷产量方面发挥比甲烷氧化菌更重要的作用。这些发现为亚热带湿地生态系统的土地利用规划和温室气体减排提供了科学依据，也为洞庭湖区实施“退田还湿”、“退林还湿”等生态环境修复政策提供了理论支持。