祁连山水合物钻探区冻土甲烷代谢特征及功能微生物研究

发布时间：2020-10-28 09:42

　　 甲烷(CH_4)作为大气中重要的温室气体,是导致全球气候变化的重要因素。祁连山冻土区是我国陆域天然气水合物的重要分布区。该地区甲烷来源广泛,包括热解成因气,生物成因气,混合成因气以及水合物分解气。其中,由产甲烷菌进行的产甲烷活动是大气甲烷的重要生物来源。同时,甲烷氧化菌对冻土甲烷的最终排放量具有重要的调控作用。本文通过实验室培养法对该地区土壤微生物甲烷产生与氧化特征进行了探究,并对产甲烷菌与甲烷氧化菌群落结构与丰度的变化进行了分析,获得以下认识:1.在厌氧条件下进行了为期84天的土壤产甲烷实验,利用实验室模拟增温以及设定不同pH条件探究了温度和pH对土壤甲烷产量的影响。结果表明:土壤甲烷产量与培养温度(5~25°C)呈正相关性。表层样的甲烷产量高于底层,沼泽草甸区产甲烷速率高于草原区和草甸区;pH条件(6.5~7.5)的变化对表层样甲烷产量的影响较小。2.为了对土壤甲烷生成途径进行探究,向培养样中加入七种单一碳源,在25°C条件下进行为期56天的产甲烷实验。结果表明:表层样主要以乙酸发酵和甲基营养途径产生甲烷,主要的可利用底物为乙酸,甲醇和三甲胺。底层样主要的产甲烷途径为CO_2还原型,主要的可利用底物为甲酸。3.在好氧条件下进行了为期30天的土壤甲烷氧化实验。利用实验室模拟增温探究了温度对土壤甲烷氧化速率的影响。结果表明:土壤甲烷氧化速率与条件(5~25°C)呈正相关性。表层样的甲烷氧化速率高于底层,高寒沼泽草甸和草甸区土壤甲烷氧化速率差异性较小,且高于草原区。4.经25°C培养后,草原区表层与底层样,高寒草甸与沼泽草甸区底层样中优势产甲烷菌类群以Methanobacteriales为主;高寒草甸和沼泽草甸区表层样中优势产甲烷菌类群以Methanosarcinales为主;培养后mcrA基因拷贝数约增长了2~30倍。经25°C培养后,甲烷氧化菌优势类群由Methylobacter转变为Methylocystis,pmoA基因拷贝数约增长了1~3倍。5.水合物钻井区土壤甲烷吸收值(-6.196μmol d~(-1) g~(-1) soil)低于非水合物区(-2.094μmol d~(-1) g~(-1) soil),表明前者土壤甲烷氧化活性较高;水合物区土壤甲烷释放值(0.022μmol d~(-1) g~(-1) soil)高于非水合物区(0.004μmol d~(-1) g~(-1) soil),指示前者土壤产甲烷活性较高。6.本文的预测结果表明,木里地区表现为甲烷弱汇,年均甲烷排放通量约-1.21×10~(-3) Tg。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P634;P618.13
【部分图文】：

钻井区DT测线各采样点土壤甲烷排放量的范围在-6.196~0.022μmol d-1g-1soil之间(图7-7C,7-7D)。采样点DT-2,DT-3和DT-5表层样在不同的条件下的甲烷排放量均为负值,具有较高的甲烷吸收值。在5°C时甲烷吸收值均较低,随着条件升高,表层样的甲烷吸收值逐渐增加。整体而言,DT-2和DT-3表层样的甲烷吸收值高于DT-5。DT-2-1在25°C时具有最高的甲烷吸收值,达到-6.196μmol d-1g-1soil。DT-2和DT-3底层样在5°C时甲烷吸收值较低。而DT-5-2在5°C时的甲烷排放量为正,表现出较低的甲烷排放潜力,约为0.022μmol d-1g-1soil;随着条件升高,其甲烷吸收值虽然逐渐增加,但仍低于表层,说明钻井区采样点土壤表层甲烷吸收潜力高于底层。研究区GHM剖面各采样点三个土壤层甲烷排放量分析见图7-8。各剖面点土壤甲烷排放量的范围在-2.944~0.058μmol d-1g-1soil之间。在5°C条件下,采样点GHM-1-1和中层土壤样,GHM-3-1均表现出较低的甲烷排放潜力,甲烷的排放量分别约为0.040μmol d-1g-1soil,0.058μmol d-1g-1soil和0.046μmol d-1g-1soil。其它土壤层位在5°C时则表现出较低的甲烷吸收潜力。随着条件升高,GHM-1,GHM-2和GHM-3各土壤层位的甲烷排放量均为负值,表现出了较高的甲烷吸收潜力。GHM-1-1样在25°C条件下具有最高的甲烷吸收值,约为-2.944μmol d-1g-1soil。

研究区GHM剖面各采样点三个土壤层甲烷排放量分析见图7-8。各剖面点土壤甲烷排放量的范围在-2.944~0.058μmol d-1g-1soil之间。在5°C条件下,采样点GHM-1-1和中层土壤样,GHM-3-1均表现出较低的甲烷排放潜力,甲烷的排放量分别约为0.040μmol d-1g-1soil,0.058μmol d-1g-1soil和0.046μmol d-1g-1soil。其它土壤层位在5°C时则表现出较低的甲烷吸收潜力。随着条件升高,GHM-1,GHM-2和GHM-3各土壤层位的甲烷排放量均为负值,表现出了较高的甲烷吸收潜力。GHM-1-1样在25°C条件下具有最高的甲烷吸收值,约为-2.944μmol d-1g-1soil。7.7.1.2土壤甲烷排放通量预测

为了对研究区各采样点土壤60 cm深度内的甲烷排放通量进行预测,本文首先对土壤表层(0-10 cm)和底层(50-60 cm)甲烷排放通量进行计算。其中,每个土壤层位的深度为10 cm,土壤取样器的内径为3.1 cm。通过土壤层体积,土壤容重与甲烷排放量的计算,得出土壤层在单位面积内的甲烷排放通量。首先在60 cm土壤深度内,对土壤表层和底层单位面积内的甲烷排放量进行线性回归分析(图7-9),并进一步估算10-20 cm,20-30 cm,30-40 cm以及40-50 cm四个土壤层位在单位面积内的甲烷排放量(表7-4),以采样点六个土壤层位的甲烷排放量之和作为该采样点在60 cm土壤深度内的甲烷排放通量值。研究区各采样点土壤甲烷排放通量预测值见图7-10。其中背景区采样点DZ2-1,DZ2-3,DZ2-5以及钻井区采样点DT-2,DT-3,DT-5土壤深度为60 cm,湿地采样点GHM-1,GHM-2,GHM-3土壤深度为30 cm。由图7-10可以看出,研究区土壤甲烷排放通量的范围在-3261.02~6.14μg cm-2d-1之间。采样点DZ2-1和GHM-1在5°C甲烷排放通量为正值,表现出较低的甲烷排放潜力。整体而言,高寒草甸和沼泽草甸区土壤甲烷吸收值要大于草原区,表现出较高的甲烷吸收潜力,其中沼泽草甸区采样点DT-2在25°C时的甲烷吸收值最大,达到-3261.02μg cm-2d-1。
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本文编号：2859916