近日，南京信息工程大学生态与应用气象学院2021级生态学专业本科生姚晓晨和导师沈李东教授等在滨海湿地围垦植稻影响产甲烷过程的研究中取得重要进展，研究以“Stimulation of methane production potential and alteration in community composition of methanogens following conversion of China’s coastal marshes to paddy fields”为题，发表于农林科学1区TOP期刊《CATENA》。该研究揭示了滨海湿地围垦稻田后甲烷排放增加的微生物驱动机制，可为围垦植稻后甲烷减排提供理论依据。

成果简介：

由于沿海地区较高的人口密度和不断增长的粮食需求，大量滨海湿地被围垦为农业用地。通常，滨海湿地被围垦成稻田后会使得甲烷排放通量大幅增加。产甲烷是控制甲烷排放的关键微生物过程，但当前有关围垦植稻是如何影响产甲烷过程尚不清楚。

本研究以我国6个滨海湿地（辽河口、黄河口、杭州湾、九龙江口、漳江口和东寨港）为研究对象，分析了围垦前（本土植被类型为秋茄、芦苇、海莲）和围垦后（水稻）土壤中产甲烷潜势、产甲烷菌丰度及其群落组成变化特征及关键影响因素。主要有以下三个发现：

（1）与自然滨海湿地相比，围垦后产甲烷潜势在辽河口、黄河口和杭州湾显著增加，产甲烷菌mcrA基因丰度在除东寨外的其余湿地均显著增加（图1a和c）。混合效应模型分析发现，围垦后产甲烷潜势和mcrA基因丰度分别平均增加了343 %和346 %（图1b和d）。同时研究发现，产甲烷潜势和mcrA基因丰度均存在显著的地理差异（图1b和d）。

图1 各湿地围垦前后产甲烷潜势（a）和mcrA基因丰度（c）；围垦前后和不同地理位置下总体产甲烷潜势（b）和mcrA基因丰度（d）的变化。

（2）系统发育树显示了23个OTUs，涉及4个目，5个科，10个属（图2a）。除九龙江外各湿地围垦后甲烷杆菌属比例均增加，所有湿地甲烷八叠球菌属菌比例均减少（图2b）。综合不同湿地结果发现，围垦植稻后优势产甲烷菌属由甲烷叶菌属和甲烷八叠球菌属转变为甲烷杆菌属（图2b）。共现网络分析表明，相比于围垦前，围垦后产甲烷菌网络的边和密度均有所提升，网络变得更加复杂。

图2 基于产甲烷菌mcrA基因的系统发育分析（a）；各地区和综合所有地区围垦前后产甲烷菌群落组成变化（b）；围垦前后产甲烷菌群落共现网络分析（c）。

（3）Pearson相关性热图显示，产甲烷潜势和丰度均与甲烷杆菌属呈显著正相关，与甲烷八叠球菌属呈显著负相关（图3a）。此外，随机森林分析结果表明，围垦植稻后土壤理化性质的改变对产甲烷潜势、丰度和群落组成存在显著影响。土壤容重、含水率和氨氮含量是影响产甲烷潜势的关键因子（图3b）；土壤硝氮含量、容重和含水率是影响产甲烷菌丰度的关键因子（图3c）；土壤氨氮含量、总氮含量和盐度是分别影响甲烷杆菌属、甲烷叶菌属和甲烷八叠球菌属相对丰度的关键因子（图3d-3f）

图3产甲烷潜势、mcrA基因丰度与优势产甲烷菌属相对丰度、多样性间的相关性（a）；环境因子对产甲烷潜势（b）、mcrA基因丰度（c）以及甲烷杆菌属（d）、甲烷叶菌属（e）和甲烷八叠球菌属（f）的影响。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.catena.2024.108428

作者简介：

 “土壤生态学”团队首席沈李东教授为本文通讯作者，我院生态学专业2021级本科生姚晓晨和福建师范大学地理科学学院王维奇研究员为共同第一作者。参与该研究工作的还有团队中的博士生杨钰铃和杨王挺，硕士生胡棋楠、金靖昊和刘佳琦，以及本科生王宇超。该研究得到国家自然科学基金（42377116、41977037和42077086）、福建省自然科学基金（2021J06019）项目和国家大学生创新训练项目（202310300056Z）资助。