周小奇教授课题组在《Science of the Total Environment》发现干旱胁迫下土壤甲烷氧化能力的调控

引言

模型预测表明，到本世纪末，干旱事件发生频率和强度都将增加，这将严重影响陆地生态系统功能，如土壤甲烷氧化能力。大气甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体，陆地生态系统是最大的大气甲烷生物汇，而干旱对高地土壤甲烷能力的影响及其微生物机制仍缺乏认识。干旱能够通过直接和间接途径影响高地土壤甲烷氧化能力（Fig. 1）：直接途径具有积极效果，即通过增加土壤通气性提高甲烷氧化菌底物可利用性，从而促进土壤甲烷氧化能力；而间接途径则会产生负面影响，即干旱诱导植物产生乙烯释放到土壤环境，通过与甲烷氧化过程的关键酶——甲烷单加氧酶结合而抑制甲烷氧化菌活性，从而降低土壤甲烷氧化能力。基于此，本研究结合室内实验和野外观测，明确了干旱影响高地土壤甲烷氧化能力的途径，且首次提出了如何提高干旱胁迫下土壤甲烷氧化能力，深化了我们对土壤甲烷氧化过程的认识。

结果

在本研究中，我们先以模式植物拟南芥为研究对象，设置不同水分梯度（30%、50%和80%田间持水量），同时运用乙烯抑制剂（AVG）喷施和添加植物促生菌（PGPR）处理来减少乙烯产生量，测定土壤甲烷、乙烯通量，并在实验结束后测定植株生物量。实验结果表明：干旱显著增加土壤甲烷氧化能力（Fig. 2），而减少乙烯的产生能提高土壤甲烷氧化能力，而且能提高植物生物量（Fig. 2）。

为验证室内实验结果，我们在上海市奉贤区农业用地温室大棚进行了田间实验，取得了类似的效果（Fig. 3）。

此外，我们利用天童森林生态系统国家野外科学观测研究站的极端干旱样地实验平台开展研究，该样地共设置三组处理：70%截雨的干旱处理、采光干扰处理和对照处理，每组处理3个重复。我们在2017年至2019年四次测定野外原位甲烷和乙烯通量。研究发现：与对照处理相比，干旱显著增加了原位乙烯产生量（Fig. 4），而乙烯在浓度很低的情况下就显著抑制了土壤甲烷氧化能力，例如乙烯在浓度为3 ppm降低了约40%土壤甲烷氧化能力；在10ppm时，抑制了约80%土壤甲烷氧化能力；而在50ppm浓度时，土壤甲烷氧化能力被完全抑制（Fig. 4c）。

小结

我们的研究结果证实了干旱胁迫植物产生的乙烯是影响土壤甲烷氧化能力的重要途径之一，而减少乙烯产生量能明显提高土壤甲烷氧化能力，即提出了土壤甲烷氧化能力调控的新方向。鉴于目前农业干旱区分布广泛，本研究为全球变化背景下提高土壤大气甲烷汇提供了可能的途径。

文章全文：Zhou, X.Q.*, Smaill, S. J., Gu, X.Y., Clinton, P. W., 2021. Manipulation of soil methane oxidation under drought stress. Science of the Total Environment, 757, 144089.

整理 ▏华东师范大学研究生 顾辛韵

编辑 ▏华东师范大学研究生 顾辛韵

审核 ▏华东师范大学教授 周小奇