氮磷对甲烷吸收的影响进展及其在半干旱草地的研究缺口

张丽华, 顾雪莹, 赵 营

(1.中央民族大学生命与环境科学学院, 北京 100081; 2.中国科学院植物研究所, 北京 100093)

甲烷(CH4)是仅次于CO2的一种重要温室气体,对全球变暖的贡献占全部温室气体的20%,百年时间尺度上,CH4的单分子增温潜势远大于CO2,约是CO2的25倍[1]。同时,CH4又参与了一些重要的大气光化学反应,如破坏平流层臭氧等[1-2]。近年来,大气CH4浓度的增加引起了各国政府和科学家的高度关注。占陆地面积20%的干旱、半干旱草地生态系统,是大气甲烷的重要“汇”之一,在调节大气甲烷浓度及气候变化过程中起着重要作用[2]。目前,全球变化和人类活动引起的氮磷沉降增加[3-4]已经改变了草地生态系统的这种“汇”功能。

氮、磷等营养元素是生物圈养分循环的基本元素,也是陆地生态系统建立和维持不可缺少的元素。自工业革命以来,氮沉降加剧导致的生态系统在氮增加压力下的磷限制越来越受到关注[5]。已有研究表明:氮增加对甲烷吸收能够产生抑制、促进和无影响三种作用[6],迄今为止对于半干旱地区的抑制作用已经达成共识[7-8]。虽有少数几个试验研究氮磷交互对于CH4吸收的影响[9-11],但是关于磷增加是否会影响高氮对甲烷吸收的抑制作用及其发生机制还不清楚[12]。同时,这些研究大多集中在森林和农田生态系统,关于草地生态系统氮磷交互以及磷对减缓氮对甲烷吸收的抑制作用及其发生机制还没有相应的研究[13-14]。

目前对于半干旱地区,基本公认的高氮对甲烷吸收的抑制作用[15]发生机制,主要是基于竞争理论:氨态氮和甲烷具有相似的分子结构,因而对其提供能量来源的基质底物(主要是甲烷单氧化酶和铵单氧化酶结构功能相似)产生竞争[16]。而磷增加后是否会改变这种竞争关系,减缓干旱半干旱地区氮对甲烷吸收抑制作用,目前还没有定论,其微观(分子和基因)生物学的驱动机制尚不清楚。因此,关于氮磷交互及其磷增加对于氨态氮抑制作用的减缓机制有待深入研究。

1 氮对甲烷吸收的影响

上世纪80年代以来,关于氮对甲烷吸收影响的机制研究陆续展开了许多。自Steudler等[17]1989年首次在温带森林的土壤中发现了氨态氮对甲烷吸收的抑制作用后,关于其抑制作用的发生机理以及在其他生态系统是否也发生这种现象陆续开展了许多研究。例如:甲烷和氨态氮的氧化竞争关系原理及其未知的生物学驱动机制的综述[18],揭开了生态学家关于氮对甲烷在不同尺度(点-面),不同层次(生物化学-微生物-生态系统),以及不同生态系统类型(农田-森林-湿地-草地)上影响的研究序幕。之后大致经历了三个阶段性的进展:最初是关于结论的不确定性(抑制、促进、中性),然后是一些初级的宏观生态学影响机制的探讨(环境因素如温度、水分、pH值等),之后便是基本定论的抑制竞争作用及其发生的微生物学驱动机制研究的探讨。

关于氨态氮抑制甲烷吸收的现象及其发生机理探讨,始于上个世纪70,80年代,兴于90年代初,且一直持续到现在[19]。最初是关于现象的一些描述,如在草地生态系统中发现氮对甲烷吸收产生抑制作用[2],在森林土壤中氨态氮对甲烷吸收的抑制作用随着土壤甲烷浓度的增加而增强[20],硝态氮对甲烷吸收也产生抑制作用[21];但其发生机制尚不清楚[22]。之后开始出现一些初步的关于机理探讨的研究,如:土壤微区试验中氨态氮和硝态氮均降低甲烷的吸收[23];氨态氮对甲烷吸收的抑制作用随着土壤含水量的增加而降低[24];野外控制试验中氨态氮对甲烷吸收没有影响,而室内培养试验中氨态氮对甲烷氧化产生滞后的抑制效应[25];未来氮沉降不会改变阿拉斯加的旱地北方林和苔原土壤中的甲烷氧化能力[26],缓慢的氮沉降对英国西南部温带落叶林土壤甲烷吸收没有影响[27];短期和长期试验中的氨态氮均抑制农田生态系统甲烷吸收[28],且氨态氮的抑制作用随着培养时间的延长而增加[29];而添加硫酸铵抑制尼泊尔的森林、牧场、灌溉稻田和小麦-小米轮作地土壤甲烷的吸收[30];氨态氮对森林土壤甲烷氧化的抑制作用在12%～84%之间[31],且在南韩的温带森林土壤中表现出“高抑低促”现象[32],非湿地土壤中氮添加对甲烷通量的影响拐点发生在施氮量100 kg·ha-1·a-1[7]。至此氮对甲烷吸收的作用由简单的抑制和促进转变成了“高抑低促”,探讨这种影响的正确机制,需要更多的控制试验和野外原位试验以及结合模型模拟等手段[33]。

在这个过程中,关于氮对甲烷吸收的微生物驱动机制研究随着新科技的发展也慢慢兴起了。在农业和旱地森林土壤均发现了氮对甲烷氧化的酶驱动机制的底物竞争原理[34],但这种机制是如何发生的尚不清楚[15-16];甲烷氧化菌和氨氧化菌彼此都能氧化甲烷和氨,但其中的比例关系及贡献尚未明确[35];但有研究认为硫酸铵对甲烷氧化的抑制作用主要是由于盐的渗透胁迫作用,虽然氨态氮也有额外的抑制作用[36]。直到现在,关于氨态氮对甲烷吸收的抑制现象基本得到了公认,虽然此后也有一些相同和不同的研究结论,如:美国柳枝稷草地的研究、日本北部的落叶松林的研究均发现氮降低甲烷(通量)吸收[37]和氧化[38]。而青藏高原的研究中发现氮对甲烷没有影响[39]。中国的温带森林不同形态的氮对甲烷影响的研究发现,氨态氮而不是硝态氮是甲烷氧化的主要抑制因素[40]。

2 磷对甲烷吸收的影响

在氮对甲烷影响研究的整个发展历程中(自上世纪80年代以来),关于磷对甲烷吸收影响的研究一直涉及较少[44]。虽然Blankinship探讨了全球变化(增温、增雨、CO2浓度增加,氮沉降增加)的交互作用对美国加州中部一年生草地甲烷吸收的影响,但未涉及磷的作用[45]。直到Harpole等[46]发表在ecology letters上的文章提出营养元素对初级生产者群落交互限制的概念(Nutrient co-limitation of primary producer communities),磷的影响才慢慢受到关注。此后,印度尼西亚的马占相思树(Acaciamangium)种植林中发现磷添加促进甲烷吸收[47];而另一个试验中磷对甲烷吸收有轻微抑制作用[47]。Veraart等[8]综述了稻田、农田、垃圾填埋场、泥炭地、永冻层土壤和森林土壤中甲烷氧化对磷的响应,发现了2例轻微的抑制,4例促进,5例没影响,磷与其他底物元素(碳和氮)结合时,对甲烷通量起着重要的调控作用[49],进一步明确了磷的重要作用。之后也有一些不同的研究结果,如:Mori等[50]利用泰国的热带种植林土壤进行磷添加对甲烷影响的培养试验,发现磷对任何土壤的甲烷氧化都没有影响。

3 氮磷对甲烷吸收的影响

关于氮磷交互作用对甲烷吸收影响的研究,最初是Keller等[51]首次沿着雨养-矿养泥炭地梯度(ombrotrophic-minerotrophic peatland gradient)提出氮磷对泥炭地甲烷氧化的影响,在长期和短期尺度上扮演不同角色,且受泥炭地类型的影响很大。此后,中国南部的热带森林探讨了增加磷可以减缓氮对甲烷吸收的抑制作用,主要由于磷添加可能会增加甲烷氧化菌活性,所以对减缓氮对甲烷吸收的抑制作用有潜力[52]。但他们只发现这种现象,关于其微生物学的驱动机制并未进行深入的研究和探讨。Jugnia等[53]在垃圾填盖土的试验中发现综合考虑氮磷钾比单独施氮对甲烷氧化菌的影响更重要。Zheng等[54]在稻田土壤的短期培养试验中发现,氮和磷均降低甲烷的氧化能力,磷的抑制作用与氮比较稍弱。在中国南方混交林中的氮磷交互作用试验中,磷添加并没有减缓氮对甲烷氧化的抑制作用[10],氮磷对甲烷氧化产生加和的抑制作用[55];而在中国西南的氮饱和亚热带森林土壤中发现,磷添加可以减缓甲烷排放,并且使该土壤由甲烷“源”变成甲烷的“汇”[56];且氮饱和状态下的磷添加,可以改善土壤养分不平衡,减缓该区甲烷排放[57-58]。但是他们均没有对影响的发生机制进行进一步的探讨。

4 研究假设的机理概念模型

综合以上研究结果,氮磷对甲烷氧化影响的研究结论不一致,且关于磷添加是否会减缓氮对甲烷氧化的抑制作用至今仍然没有定论[59-60],其发生的驱动机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区。因此,我们基于前期在半干旱草原的试验数据和已有理论基础,提出一个机理概念模型(图1)解释草地生态系统氨态氮和甲烷之间竞争关系的生态学现象及发生机理,探讨磷添加是否会改变这种竞争关系,以及对这种竞争关系改变的宏观生态学发生机理和微生物学驱动机制。考虑到甲烷和氨态氮对甲烷单加氧化酶(Methane monoosygenase,MMO)的竞争作用[15],我们假设磷添加能够刺激植物吸收土壤中更多的氮,导致土壤中的氮减少,因而与甲烷的竞争作用减弱,减缓氮对甲烷氧化的抑制作用。在这个概念模型中,我们假设MMO是唯一让甲烷和氨态氮产生竞争的酶催化基质,因此在没有添加氮磷的情景下(图1b),若草地植被生长只受氮限制,经过长期的进化演替,该系统达到了一个相对稳定的状态,在这种相对稳定的状态下,土壤中的氮主要被植物和微生物吸收,用来满足自身生长的需求,与甲烷产生竞争的氮量很小(图1b);因此,在只施氮的情形下,土壤中的氮含量急剧增加,与甲烷竞争的氮增加,抑制了土壤中甲烷的氧化(图1a);如果氮磷同时增加,增加的磷可能会刺激植物吸收土壤中更多的氮,减少了土壤中与甲烷竞争的氮,因而减缓了单独施氮情形下氮对甲烷氧化的抑制作用(图1c)。

图1 甲烷和氨态氮对甲烷单加氧化酶(MMO)的竞争机理假设Fig.1 Competitive mechanism hypothesis of methane and ammoniacal nitrogen against methane oxidizing bacteria (MMO)注:a图表示添加氮的情景,b图表示没有添加氮磷的情景,c图表示氮磷同时添加的情景,绿色星星表示氮,紫色多边形表示甲烷,黄色椭圆表示甲烷单加氧酶(MMO),箭头的粗细表示大小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

为了验证这些假设,我们依托内蒙古多伦站长期施氮和养分添加试验平台,基于野外原位观测试验、室内培养试验,结合meta分析和模型模拟,主要应用静态箱-气相色谱、高通量测序技术、R语言、ArcGIS、Matlab、NCL、C++、Fortran等技术手段和计算机程序语言,探讨长期施氮条件下半干旱草地甲烷吸收的变化规律,阐明磷添加对减缓氮对甲烷氧化抑制作用的影响,揭示氮磷交互对甲烷氧化的影响规律及宏观生态学发生机制,预测基于未来氮磷沉降增加情景下全球草地甲烷吸收的分布规律和变化趋势。该成果已经于2020年4月份发表在国际著名期刊Ecology Letters上[61]。我们的研究结果表明,磷添加确实减缓了半干旱草地生态系统氮对甲烷吸收的抑制作用,而且这种减缓作用在全球分布尺度上也存在。

5 结语

综合以上所述,我们试图提出一些有待解决的科学问题:1):半干旱草地土壤中氮对甲烷吸收的抑制作用发生的微观机理,氮是如何通过影响土壤中甲烷氧化菌群的分布、结构、功能和动态来抑制甲烷吸收的?2):磷添加后这种抑制作用的减缓是如何通过改变甲烷氧化菌群及其它微生物活动来达到这种减缓作用的?3):全球尺度上甲烷吸收和排放的空间分布格局,如何在氮磷交互的影响下发生变化,其发生的微观驱动机制是什么?

这些问题有助于深入解释甲烷及其氧化菌群的空间异质性差异及其在全球变化背景下的变化趋势分布,有助于寻找实现控制全球甲烷排放或吸收的微生物及基因资源库[62]。防止全球甲烷排放增加,减缓由此引起的温室效应,减缓氮对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积极的推动作用。