氮磷對(duì)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(yíng)

(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(guó)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(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)占全部溫室氣體的20%,百年時(shí)間尺度上,CH4的單分子增溫潛勢(shì)遠(yuǎn)大于CO2,約是CO2的25倍[1]。同時(shí),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(lái),大氣CH4濃度的增加引起了各國(guó)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(guò)程中起著重要作用[2]。目前,全球變化和人類活動(dòng)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(yíng)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(lái),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(lái)越受到關(guān)注[5]。已有研究表明:氮增加對(duì)甲烷吸收能夠產(chǎn)生抑制、促進(jìn)和無(wú)影響三種作用[6],迄今為止對(duì)于半干旱地區(qū)的抑制作用已經(jīng)達(dá)成共識(shí)[7-8]。雖有少數(shù)幾個(gè)試驗(yàn)研究氮磷交互對(duì)于CH4吸收的影響[9-11],但是關(guān)于磷增加是否會(huì)影響高氮對(duì)甲烷吸收的抑制作用及其發(fā)生機(jī)制還不清楚[12]。同時(shí),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(duì)減緩氮對(duì)甲烷吸收的抑制作用及其發(fā)生機(jī)制還沒(méi)有相應(yīng)的研究[13-14]。

目前對(duì)于半干旱地區(qū),基本公認(rèn)的高氮對(duì)甲烷吸收的抑制作用[15]發(fā)生機(jī)制,主要是基于競(jìng)爭(zhēng)理論:氨態(tài)氮和甲烷具有相似的分子結(jié)構(gòu),因而對(duì)其提供能量來(lái)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(jìng)爭(zhēng)[16]。而磷增加后是否會(huì)改變這種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,減緩干旱半干旱地區(qū)氮對(duì)甲烷吸收抑制作用,目前還沒(méi)有定論,其微觀(分子和基因)生物學(xué)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制尚不清楚。因此,關(guān)于氮磷交互及其磷增加對(duì)于氨態(tài)氮抑制作用的減緩機(jī)制有待深入研究。

1 氮對(duì)甲烷吸收的影響

上世紀(jì)80年代以來(lái),關(guān)于氮對(duì)甲烷吸收影響的機(jī)制研究陸續(xù)展開(kāi)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(duì)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(kāi)展了許多研究。例如:甲烷和氨態(tài)氮的氧化競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系原理及其未知的生物學(xué)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的綜述[18],揭開(kāi)了生態(tài)學(xué)家關(guān)于氮對(duì)甲烷在不同尺度(點(diǎn)-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(gè)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(jí)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(jìng)爭(zhēng)作用及其發(fā)生的微生物學(xué)驅(qū)動(dòng)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(gè)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(duì)甲烷吸收產(chǎn)生抑制作用[2],在森林土壤中氨態(tài)氮對(duì)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(duì)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(kāi)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(yàn)中氨態(tài)氮和硝態(tài)氮均降低甲烷的吸收[23];氨態(tài)氮對(duì)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(yàn)中氨態(tài)氮對(duì)甲烷吸收沒(méi)有影響,而室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn)中氨態(tài)氮對(duì)甲烷氧化產(chǎn)生滯后的抑制效應(yīng)[25];未來(lái)氮沉降不會(huì)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(duì)英國(guó)西南部溫帶落葉林土壤甲烷吸收沒(méi)有影響[27];短期和長(zhǎng)期試驗(yàn)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(shí)間的延長(zhǎng)而增加[29];而添加硫酸銨抑制尼泊爾的森林、牧場(chǎng)、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(duì)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(duì)甲烷通量的影響拐點(diǎn)發(fā)生在施氮量100 kg·ha-1·a-1[7]。至此氮對(duì)甲烷吸收的作用由簡(jiǎn)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(yàn)和野外原位試驗(yàn)以及結(jié)合模型模擬等手段[33]。

在這個(gè)過(guò)程中,關(guān)于氮對(duì)甲烷吸收的微生物驅(qū)動(dòng)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(duì)甲烷氧化的酶驅(qū)動(dòng)機(jī)制的底物競(jìng)爭(zhēng)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(duì)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(duì)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(guó)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(duì)甲烷沒(méi)有影響[39]。中國(guó)的溫帶森林不同形態(tài)的氮對(duì)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(duì)甲烷吸收的影響

在氮對(duì)甲烷影響研究的整個(gè)發(fā)展歷程中(自上世紀(jì)80年代以來(lái)),關(guān)于磷對(duì)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(duì)美國(guó)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(yíng)養(yǎng)元素對(duì)初級(jí)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(shù)(Acaciamangium)種植林中發(fā)現(xiàn)磷添加促進(jìn)甲烷吸收[47];而另一個(gè)試驗(yàn)中磷對(duì)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(chǎng)、泥炭地、永凍層土壤和森林土壤中甲烷氧化對(duì)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(méi)影響,磷與其他底物元素(碳和氮)結(jié)合時(shí),對(duì)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(guó)的熱帶種植林土壤進(jìn)行磷添加對(duì)甲烷影響的培養(yǎng)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)磷對(duì)任何土壤的甲烷氧化都沒(méi)有影響。

3 氮磷對(duì)甲烷吸收的影響

關(guān)于氮磷交互作用對(duì)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(duì)泥炭地甲烷氧化的影響,在長(zhǎng)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(guó)南部的熱帶森林探討了增加磷可以減緩氮對(duì)甲烷吸收的抑制作用,主要由于磷添加可能會(huì)增加甲烷氧化菌活性,所以對(duì)減緩氮對(duì)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(dòng)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)綜合考慮氮磷鉀比單獨(dú)施氮對(duì)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(yàn)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(guó)南方混交林中的氮磷交互作用試驗(yàn)中,磷添加并沒(méi)有減緩氮對(duì)甲烷氧化的抑制作用[10],氮磷對(duì)甲烷氧化產(chǎn)生加和的抑制作用[55];而在中國(guó)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(méi)有對(duì)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(duì)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(huì)減緩氮對(duì)甲烷氧化的抑制作用至今仍然沒(méi)有定論[59-60],其發(fā)生的驅(qū)動(dòng)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(yàn)數(shù)據(jù)和已有理論基礎(chǔ),提出一個(gè)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(jìng)爭(zhēng)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(huì)改變這種競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,以及對(duì)這種競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)機(jī)制。考慮到甲烷和氨態(tài)氮對(duì)甲烷單加氧化酶(Methane monoosygenase,MMO)的競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)作用減弱,減緩氮對(duì)甲烷氧化的抑制作用。在這個(gè)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(jìng)爭(zhēng)的酶催化基質(zhì),因此在沒(méi)有添加氮磷的情景下(圖1b),若草地植被生長(zhǎng)只受氮限制,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化演替,該系統(tǒng)達(dá)到了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),在這種相對(duì)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(lái)滿足自身生長(zhǎng)的需求,與甲烷產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)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(jìng)爭(zhēng)的氮增加,抑制了土壤中甲烷的氧化(圖1a);如果氮磷同時(shí)增加,增加的磷可能會(huì)刺激植物吸收土壤中更多的氮,減少了土壤中與甲烷競(jìng)爭(zhēng)的氮,因而減緩了單獨(dú)施氮情形下氮對(duì)甲烷氧化的抑制作用(圖1c)。

圖1 甲烷和氨態(tài)氮對(duì)甲烷單加氧化酶(MMO)的競(jìng)爭(zhēng)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(méi)有添加氮磷的情景,c圖表示氮磷同時(shí)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(yàn)證這些假設(shè),我們依托內(nèi)蒙古多倫站長(zhǎng)期施氮和養(yǎng)分添加試驗(yàn)平臺(tái),基于野外原位觀測(cè)試驗(yàn)、室內(nèi)培養(yǎng)試驗(yàn),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(cè)序技術(shù)、R語(yǔ)言、ArcGIS、Matlab、NCL、C++、Fortran等技術(shù)手段和計(jì)算機(jī)程序語(yǔ)言,探討長(zhǎng)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(duì)減緩氮對(duì)甲烷氧化抑制作用的影響,揭示氮磷交互對(duì)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(cè)基于未來(lái)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(shì)。該成果已經(jīng)于2020年4月份發(fā)表在國(guó)際著名期刊Ecology Letters上[61]。我們的研究結(jié)果表明,磷添加確實(shí)減緩了半干旱草地生態(tài)系統(tǒng)氮對(duì)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(yǔ)

綜合以上所述,我們?cè)噲D提出一些有待解決的科學(xué)問(wèn)題:1):半干旱草地土壤中氮對(duì)甲烷吸收的抑制作用發(fā)生的微觀機(jī)理,氮是如何通過(guò)影響土壤中甲烷氧化菌群的分布、結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)態(tài)來(lái)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(guò)改變甲烷氧化菌群及其它微生物活動(dòng)來(lái)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(dòng)機(jī)制是什么?

這些問(wèn)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(shì)分布,有助于尋找實(shí)現(xiàn)控制全球甲烷排放或吸收的微生物及基因資源庫(kù)[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(duì)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(dòng)作用。