南京信息工程大学沈李东团队WR｜中国东部滨海湿地转变为稻田大幅降低了甲烷氧化活性和甲烷氧化菌丰度

生态环境科学 · 公众号 · · 2024-12-19 08:30

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文章信息

第一作者： 杨钰铃

通讯作者：沈李东教授

通讯单位：南京信息工程大学

https://doi.org/10.1016/j.watres.2024.122962

亮点

• 滨海湿地转变为稻田大幅降低了甲烷氧化潜势。

• 这种转变显著减少了甲烷氧化菌丰度并改变了其群落结构。

• Methylocystis 属是滨海湿地围垦前后的唯一优势属。

• 围垦后 pH 、无机氮含量以及甲烷氧化菌丰度的改变显著影响了甲烷氧化潜势。

研究进展

滨海湿地转变为稻田是满足我国沿海城市不断增长的人口密度和粮食需求的一种普遍做法，这种土地利用方式的转变已被证实会大幅刺激甲烷排放。甲烷氧化是调控甲烷排放的关键微生物过程，但当前有关滨海湿地转化为稻田是如何影响甲烷氧化过程尚不清楚。本研究采用空间代替时间的方法，探究了中国东部沿海五个滨海湿地（辽河口、杭州湾、九龙江口、漳江口和东寨港，其本土种以芦苇或红树林为主）转为稻田后对甲烷氧化过程的影响（图1）。

图1 图文摘要

研究发现，辽河口和杭州湾站点的芦苇湿地转为稻田后甲烷氧化潜势分别下降了33.2%和17.9%（图2a）。九龙江口、漳江口和东寨港站点的红树林湿地转为稻田后甲烷氧化潜势分别下降了30.3%、36.8%和18.2%（图2b）。混合效应模型分析发现，芦苇湿地和红树林湿地转为稻田后对甲烷氧化潜势的抑制效应相似，分别显著降低了28.4%和29.3%。此外，五个站点转为稻田后甲烷氧化菌丰度均显著下降（图2c和2d）。芦苇湿地和红树林湿地转为稻田后，丰度分别显著降低了77.1%和81.9%。

图2 芦苇湿地（a、c）和红树林湿地（b、d）转为稻田后甲烷氧化潜势和甲烷氧化菌丰度变化

Methylocystis 属是所有湿地围垦前后的优势甲烷氧化菌属（图3a）。网络分析结果显示，芦苇湿地转为稻田后甲烷氧化菌网络的边和密度均有所降低，网络变得更为简单（图3b）。不同的是，红树林湿地转为稻田后甲烷氧化菌网络的边和密度均有所增加，网络变得更为复杂。此外，芦苇湿地和红树林湿地转为稻田均导致了甲烷氧化菌群落发生显著改变（图3c）。芦苇湿地和稻田土壤中分别有21个和19个特定的OTUs，23个共同OTUs（图3d）。红树林湿地和稻田土壤中分别有23个和22个特定的OTUs，40个共同OTUs。

图3 芦苇湿地和红树林湿地中甲烷氧化菌属水平群落组成（a）、网络分析（b）、PCoA分析（c）和OTU水平韦恩图（d）

随机森林模型结果显示，芦苇湿地中显著影响甲烷氧化潜势的因子重要性排序为：甲烷氧化菌丰度、TN、N O 3 ^- 、SOC、SBD、NH 4 ⁺ 和TP，而在红树林湿地中的重要性排序为：SBD、甲烷氧化菌丰度、SOC和pH（图4a和4b）。进一步采用结构方程模型探讨了这些因子对甲烷氧化潜势的直接和间接影响效应（图4c）。结果显示，土地利用方式改变导致的土壤理化因子变化在直接影响甲烷好氧氧化潜势方面有着最为重要的作用，其中pH与潜势显著正相关，N H 4 ⁺ 和N O 3 ^- 浓度与潜势显著负相关。此外，土地利用方式改变导致甲烷氧化菌丰度的降低与甲烷氧化潜势降低显著相关。

图4 芦苇湿地（a）、红树林湿地（b）以及两类湿地（c）中土壤理化因子、甲烷氧化菌群落、多样性和丰度对甲烷氧化潜势的影响

本研究表明芦苇湿地和红树林湿地转为稻田后均导致了甲烷氧化潜势和甲烷氧化菌丰度的显著降低。甲烷氧化潜势的降低主要是由土地利用方式转变导致的土壤理化性质改变和甲烷氧化菌丰度降低引起。此外，土壤理化性质的改变还显著改变了芦苇湿地和红树林湿地中甲烷氧化菌群落组成。总的来说，本研究首次揭示了滨海湿地转为稻田对甲烷氧化过程的抑制效应，研究结果对于揭示土地利用方式转变背景下甲烷排放增加的微生物驱动机制具有重要意义。

作者介绍

沈李东 ，教授，博士生导师，南京信息工程大学生态与应用气象学院副院长，江苏省“333高层次人才培养工程”中青年学术技术带头人，“土壤生态学”团队首席。2014年获浙江大学环境工程专业工学博士学位，2016.2-2018.2在英国伦敦大学玛丽女王学院从事博士后研究。长期从事土壤碳氮循环与气候变化、微生物生态学等方面的研究工作。近年来，主持国家自然科学基金项目3项，江苏省自然科学基金项目2项，企事业委托项目4项。至今，已在 PNAS ， Nature Climate Change ， The ISME Journal ， Environmental Science & Technology ， Water Research 和 Soil Biology & Biochemistry 等国际主流杂志上发表SCI论文80余篇（第一/通讯作者SCI论文70余篇），论文他引2500余次，其中2篇SCI论文入选全球Top 1% ESI高被引论文；授权国家发明专利9项，实用新型专利13项；担任 Frontiers in Microbiology，Annals of Microbiology，Carbon Research，Water 和《应用生态学报》等编委。

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