氮磷對甲烷吸收的影響進展及其在半干旱草地的研究缺口

張麗華, 顧雪瑩, 趙 營

(1.中央民族大學生命與環境科學學院, 北京 100081; 2.中國科學院植物研究所, 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反應,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家的高度關注。占陸地面積20%的干旱、半干旱草地生態系統,是大氣甲烷的重要“匯”之一,在調節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]已經改變了草地生態系統的這種“匯”功能。

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

目前對于半干旱地區,基本公認的高氮對甲烷吸收的抑制作用[15]發生機制,主要是基于競爭理論:氨態氮和甲烷具有相似的分子結構,因而對其提供能量來源的基質底物(主要是甲烷單氧化酶和銨單氧化酶結構功能相似)產生競爭[16]。而磷增加后是否會改變這種競爭關系,減緩干旱半干旱地區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)生物學的驅動機制尚不清楚。因此,關于氮磷交互及其磷增加對于氨態氮抑制作用的減緩機制有待深入研究。

1 氮對甲烷吸收的影響

上世紀80年代以來,關于氮對甲烷吸收影響的機制研究陸續展開了許多。自Steudler等[17]1989年首次在溫帶森林的土壤中發現了氨態氮對甲烷吸收的抑制作用后,關于其抑制作用的發生機理以及在其他生態系統是否也發生這種現象陸續開展了許多研究。例如:甲烷和氨態氮的氧化競爭關系原理及其未知的生物學驅動機制的綜述[18],揭開了生態學家關于氮對甲烷在不同尺度(點-面),不同層次(生物化學-微生物-生態系統),以及不同生態系統類型(農田-森林-濕地-草地)上影響的研究序幕。之后大致經歷了三個階段性的進展:最初是關于結論的不確定性(抑制、促進、中性),然后是一些初級的宏觀生態學影響機制的探討(環境因素如溫度、水分、pH值等),之后便是基本定論的抑制競爭作用及其發生的微生物學驅動機制研究的探討。

關于氨態氮抑制甲烷吸收的現象及其發生機理探討,始于上個世紀70,80年代,興于90年代初,且一直持續到現在[19]。最初是關于現象的一些描述,如在草地生態系統中發現氮對甲烷吸收產生抑制作用[2],在森林土壤中氨態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[20],硝態氮對甲烷吸收也產生抑制作用[21];但其發生機制尚不清楚[22]。之后開始出現一些初步的關于機理探討的研究,如:土壤微區試驗中氨態氮和硝態氮均降低甲烷的吸收[23];氨態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氮對甲烷吸收沒有影響,而室內培養試驗中氨態氮對甲烷氧化產生滯后的抑制效應[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氮均抑制農田生態系統甲烷吸收[28],且氨態氮的抑制作用隨著培養時間的延長而增加[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出“高抑低促”現象[32],非濕地土壤中氮添加對甲烷通量的影響拐點發生在施氮量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轉變成了“高抑低促”,探討這種影響的正確機制,需要更多的控制試驗和野外原位試驗以及結合模型模擬等手段[33]。

在這個過程中,關于氮對甲烷吸收的微生物驅動機制研究隨著新科技的發展也慢慢興起了。在農業和旱地森林土壤均發現了氮對甲烷氧化的酶驅動機制的底物競爭原理[34],但這種機制是如何發生的尚不清楚[15-16];甲烷氧化菌和氨氧化菌彼此都能氧化甲烷和氨,但其中的比例關系及貢獻尚未明確[35];但有研究認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,雖然氨態氮也有額外的抑制作用[36]。直到現在,關于氨態氮對甲烷吸收的抑制現象基本得到了公認,雖然此后也有一些相同和不同的研究結論,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現氮降低甲烷(通量)吸收[37]和氧化[38]。而青藏高原的研究中發現氮對甲烷沒有影響[39]。中國的溫帶森林不同形態的氮對甲烷影響的研究發現,氨態氮而不是硝態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展歷程中(自上世紀80年代以來),關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]發表在ecology letters上的文章提出營養元素對初級生產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注。此后,印度尼西亞的馬占相思樹(Acaciamangium)種植林中發現磷添加促進甲烷吸收[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,發現了2例輕微的抑制,4例促進,5例沒影響,磷與其他底物元素(碳和氮)結合時,對甲烷通量起著重要的調控作用[49],進一步明確了磷的重要作用。之后也有一些不同的研究結果,如:Mori等[50]利用泰國的熱帶種植林土壤進行磷添加對甲烷影響的培養試驗,發現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-礦養泥炭地梯度(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]。但他們只發現這種現象,關于其微生物學的驅動機制并未進行深入的研究和探討。Jugnia等[53]在垃圾填蓋土的試驗中發現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試驗中發現,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現,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];且氮飽和狀態下的磷添加,可以改善土壤養分不平衡,減緩該區甲烷排放[57-58]。但是他們均沒有對影響的發生機制進行進一步的探討。

4 研究假設的機理概念模型

綜合以上研究結果,氮磷對甲烷氧化影響的研究結論不一致,且關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],其發生的驅動機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。因此,我們基于前期在半干旱草原的試驗數據和已有理論基礎,提出一個機理概念模型(圖1)解釋草地生態系統氨態氮和甲烷之間競爭關系的生態學現象及發生機理,探討磷添加是否會改變這種競爭關系,以及對這種競爭關系改變的宏觀生態學發生機理和微生物學驅動機制。考慮到甲烷和氨態氮對甲烷單加氧化酶(Methane monoosygenase,MMO)的競爭作用[15],我們假設磷添加能夠刺激植物吸收土壤中更多的氮,導致土壤中的氮減少,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MMO是唯一讓甲烷和氨態氮產生競爭的酶催化基質,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,經過長期的進化演替,該系統達到了一個相對穩定的狀態,在這種相對穩定的狀態下,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 甲烷和氨態氮對甲烷單加氧化酶(MMO)的競爭機理假設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,我們依托內蒙古多倫站長期施氮和養分添加試驗平臺,基于野外原位觀測試驗、室內培養試驗,結合meta分析和模型模擬,主要應用靜態箱-氣相色譜、高通量測序技術、R語言、ArcGIS、Matlab、NCL、C++、Fortran等技術手段和計算機程序語言,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律及宏觀生態學發生機制,預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律和變化趨勢。該成果已經于2020年4月份發表在國際著名期刊Ecology Letters上[61]。我們的研究結果表明,磷添加確實減緩了半干旱草地生態系統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 結語

綜合以上所述,我們試圖提出一些有待解決的科學問題:1):半干旱草地土壤中氮對甲烷吸收的抑制作用發生的微觀機理,氮是如何通過影響土壤中甲烷氧化菌群的分布、結構、功能和動態來抑制甲烷吸收的?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生變化,其發生的微觀驅動機制是什么?

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,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。