劉 心，沈李東，田茂輝，楊王挺，金靖昊，王昊宇，胡正華

（南京信息工程大學(xué)生態(tài)系，南京 210044）

甲烷（CH）是僅次于二氧化碳（CO）的長(zhǎng)壽命溫室氣體，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約為17%。甲烷在100 年尺度的全球增溫潛勢(shì)是等質(zhì)量CO的28 倍。自工業(yè)革命以來(lái)，大氣中甲烷濃度增加了150%，其排放量仍以每年1.0%的速度在遞增。稻田是重要的甲烷排放源之一，其每年甲烷排放量約占全球排放總量的10%～20%。微生物介導(dǎo)的甲烷好氧氧化被認(rèn)為是控制稻田甲烷排放的重要途徑，可氧化產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的40%～90%的甲烷。

根據(jù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能及系統(tǒng)進(jìn)化發(fā)育關(guān)系，甲烷氧化菌可分為三大類。第一類包括Ⅰ型和Ⅹ型甲烷氧化菌，屬于變形菌綱，主要有甲基桿菌（）、甲基球菌（、甲基單胞菌（）、甲基微菌（）和甲基八疊球菌（）等10 個(gè)屬。第二類為II 型甲烷氧化菌，屬于變形菌綱，主要包括甲基彎曲菌（）和甲基包囊菌（）等5個(gè)屬。 第三類甲烷氧化菌屬于疣微菌門(mén)（Verrucomicrobia），主要由嗜熱嗜酸菌組成。有研究發(fā)現(xiàn)，稻田土壤中甲烷氧化菌的主要類型是II 型菌。但也有研究表明，I 型菌主要分布在水稻的根際和水土交界面的表層土壤中，而II 型菌則更適應(yīng)低氧環(huán)境，其在下層缺氧區(qū)占優(yōu)勢(shì)地位。

CO作為最重要的溫室氣體，對(duì)氣候變暖的貢獻(xiàn)最大。氣候模型預(yù)測(cè)表明，至21 世紀(jì)末大氣中CO濃度可能會(huì)翻一番。大氣CO濃度升高會(huì)極大地影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)和功能。在水稻不同生長(zhǎng)期，土壤環(huán)境因子會(huì)發(fā)生改變，并與大氣CO協(xié)同作用后對(duì)土壤甲烷氧化過(guò)程產(chǎn)生影響。土壤中的CO濃度是大氣中的10 倍～15 倍，因此大氣CO濃度升高幾百μL·L很難直接改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。但有證據(jù)表明，高濃度的CO能夠促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，并通過(guò)增加植物向土壤的碳輸入以及改變其他相關(guān)土壤理化性質(zhì)（如氮素水平、氧氣含量）等影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性?？梢?jiàn)，大氣CO濃度升高可能會(huì)對(duì)稻田甲烷氧化菌的活性、豐度和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生間接影響，進(jìn)而改變稻田甲烷排放量。有研究表明，較高的大氣CO濃度會(huì)使土壤中甲烷的氧化量減少，進(jìn)一步加劇氣候變化。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度升高能夠促進(jìn)稻田土壤甲烷氧化菌的生長(zhǎng)。因此，當(dāng)前關(guān)于大氣CO濃度升高對(duì)稻田甲烷氧化過(guò)程的影響結(jié)論仍存在爭(zhēng)議，其影響機(jī)理尚不明確。

大氣CO濃度是長(zhǎng)時(shí)間緩慢增加的過(guò)程，而不是短期內(nèi)增至某一濃度后固定不變。目前尚少見(jiàn)CO濃度緩增對(duì)土壤甲烷氧化菌影響的相關(guān)研究。本研究在背景CO濃度基礎(chǔ)上設(shè)置了CO濃度緩增處理，更加真實(shí)地模擬大氣CO濃度升高的情境。此外，高通量測(cè)序方法（如Illumina MiSeq）在研究土壤微生物群落中更具有優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)ξ⑸锶郝涮卣魈峁└娴慕忉?。然而該方法較少應(yīng)用于研究稻田土壤甲烷氧化菌群落的動(dòng)態(tài)變化。本研究采用Illumina MiSeq 測(cè)序技術(shù)以及定量PCR 等手段，從基因、群落、活性等多個(gè)層次上解析CO濃度緩增對(duì)稻田土壤甲烷好氧氧化過(guò)程的影響及其作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)置在江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的稻田試驗(yàn)地（32.16 °N，118.86 °E），屬亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均降水量1 100 mm，多年平均氣溫15.6 ℃。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，耕層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土。供試水稻品種為南粳9108，全生育期為149～153 d。稻田土壤的氮肥年施用量為250 kg·hm。水分管理方式為生育前期淹水、中期烤田、后期干濕交替。

1.2 土壤樣品采集與分析

本研究依托于開(kāi)頂氣室（Open Top Chambers，OTC）組成的CO濃度升高自動(dòng)調(diào)控平臺(tái)，該平臺(tái)于2016 年建成并運(yùn)行，包括OTC、CO傳感器、自動(dòng)控制系統(tǒng)及通氣裝置。每個(gè)OTC 內(nèi)配置CO傳感器（GMM222 傳感器，芬蘭）及溫濕度自動(dòng)記錄儀。通過(guò)計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)OTC內(nèi)CO濃度的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，以確保OTC 內(nèi)CO濃度維持在目標(biāo)濃度值。CO氣源為高純CO鋼瓶。

以大氣CO濃度為對(duì)照（Ambient CO，AC），設(shè)置CO濃度緩增處理（Elevated CO，EC），每個(gè)處理各3 個(gè)重復(fù)。EC 處理為在背景CO濃度基礎(chǔ)上，自2016 年起每年增加40 μL·L。于2019 年采集水稻4 個(gè)關(guān)鍵生育期即：分蘗期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期和乳熟期0～5 cm 的根際土壤。該年EC 處理的CO濃度為AC+160 μL·L。采用烘干法測(cè)定土壤含水率；以玻璃電極法測(cè)定土壤pH；以比色法測(cè)定土壤無(wú)機(jī)氮（ NH-N、NO-N和NO-N）；土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定方法參考《土壤農(nóng)化分析》。

1.3 甲烷氧化潛勢(shì)測(cè)定

取約3 g 新鮮土樣置于12 mL 玻璃瓶（Labco，英國(guó)）中，并向瓶?jī)?nèi)加入5 mL 去離子水后，用橡膠塞密封。隨后，用純甲烷進(jìn)行等體積置換，使甲烷含量占比約10%（體積比）。將玻璃瓶置于搖床以35 ℃，120 r·min振蕩培養(yǎng)。期間，每隔12 h 用50% ZnCl溶液終止一批反應(yīng)，直至最后一批樣品于第72 h 培養(yǎng)結(jié)束。用氣相色譜儀（Agilent 7890B，美國(guó)）測(cè)定玻璃瓶中頂空甲烷濃度。最后，根據(jù)甲烷濃度隨時(shí)間減少進(jìn)行線性擬合，計(jì)算甲烷氧化潛勢(shì)。

1.4 DNA 提取和PCR 擴(kuò)增

根據(jù) Power Soil DNA Isolation kit 試劑盒（MoBio，美國(guó)）說(shuō)明書(shū)對(duì)不同處理下稻田土壤樣品的總DNA 進(jìn)行抽提。DNA 濃度和純度利用超微量分光光度計(jì)（NanoDrop2000，美國(guó)）進(jìn)行測(cè)定，并利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA 提取質(zhì)量。利用特 異 性 引 物 A189F （5′-GGNGACTGGGACTTC TGG-3′）和mb661R（5′-CCGGMGCAACGTCYTTAC C-3′）對(duì)甲烷氧化菌基因進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。擴(kuò)增程序如下：95 ℃預(yù)變性3 min；95 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，30 個(gè)循環(huán)；最后以72 ℃延伸10 min。PCR 反應(yīng)體系為20 μL：4 μL 5×astPfu 緩沖液，2 μL 2.5 mmol·LdNTPs，0.8 μL正 向 引 物（ 5 μmol·L）， 0.8 μL 反 向 引 物（5 μmol·L），0.4 μL FastPfu 聚合酶，0.2 μL BSA（牛血清蛋白），以及10 ng DNA 模板。

1.5 Illumina Miseq 測(cè)序

利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit（Axygen Biosciences，USA）進(jìn)行 PCR 產(chǎn)物純化；利用QuantiFluor?-ST（Promega，USA）進(jìn)行產(chǎn)物檢測(cè)定量。根據(jù)Illumina MiSeq 平臺(tái)（Illumina，USA）標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程將純化后的擴(kuò)增片段構(gòu)建PE 2×300的文庫(kù)（上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司）。

當(dāng)前，數(shù)字管理已深入人心。大數(shù)據(jù)的價(jià)值不僅在于其原始價(jià)值，更在于數(shù)據(jù)的連接、擴(kuò)展、再利用和重組，如何將大數(shù)據(jù)的相關(guān)性特征更好地應(yīng)用于房地產(chǎn)估價(jià)行業(yè)和機(jī)構(gòu)管理，離不開(kāi)智慧管理。從行業(yè)來(lái)看，行政管理部門(mén)和行業(yè)協(xié)會(huì)可通過(guò)房地產(chǎn)估價(jià)大數(shù)據(jù)監(jiān)管模型、信用信息共享交換平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)新聞評(píng)論數(shù)據(jù)庫(kù)等智慧管理手段實(shí)現(xiàn)行業(yè)監(jiān)管。從機(jī)構(gòu)來(lái)看，在市場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)、估價(jià)實(shí)務(wù)知識(shí)庫(kù)、估價(jià)基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)管理大平臺(tái)的數(shù)字化建設(shè)基礎(chǔ)上，還要對(duì)高級(jí)管理者特殊才能、高級(jí)技能人員經(jīng)驗(yàn)、組織慣例與本能、產(chǎn)業(yè)鏈適應(yīng)性資源、產(chǎn)品品牌價(jià)值等智慧資源進(jìn)行系統(tǒng)管理，以實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展［7—8］。

1.6 序列分析

原始序列使用 Trimmomatic 軟件質(zhì)控，以FLASH 軟件進(jìn)行拼接，具體步驟如下：（1）設(shè)置50 bp 的窗口，若窗口內(nèi)的平均質(zhì)量值低于20，從窗口前端位置截去該堿基后端所有序列，之后再去除質(zhì)控后長(zhǎng)度低于50 bp 的序列；（2）根據(jù)重疊堿基overlap 將兩端序列進(jìn)行拼接（最大錯(cuò)配率為0.2，長(zhǎng)度需大于 10 bp）；（3）根據(jù)序列首尾兩端的barcode 和引物將序列拆分至每個(gè)樣本并精確匹配。使 用 UPARSE 軟 件（ version 7.1 http ：//drive5.com/uparse/）以 86%的相似度對(duì)序列進(jìn)行OTU 聚類，同時(shí)去除單序列和嵌合體。最終通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)，利用 RDP classifier（http：//rdp.cme.msu.edu/）對(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋。甲烷氧化菌的基因序列已上傳至美國(guó)國(guó)家生物技術(shù)信息中心（National Center of Biotechnology Information，NCBI），序列登錄號(hào)為PRJNA612131。

1.7 定量PCR

使用特異性引物A189F 和mb661R，通過(guò)定量PCR（quantitative PCR，qPCR）測(cè)定甲烷氧化菌基因的豐度（PCR 反應(yīng)體系和反應(yīng)條件參見(jiàn)1.4 部分）。利用質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)樣品稀釋7 個(gè)濃度梯度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到每個(gè)樣品的基因拷貝數(shù)（每個(gè)樣品3 個(gè)重復(fù)）。

1.8 數(shù)據(jù)處理

采用美吉生物云平臺(tái)對(duì)測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。使用SPSS 25.0 軟件的檢驗(yàn)分析不同處理間各指標(biāo)（甲烷氧化活性、甲烷氧化菌數(shù)量、多樣性等）的差異及其顯著性。使用SPSS 25.0 軟件對(duì)各理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行 Pearson 相關(guān)性分析。

2 結(jié) 果

2.1 大氣CO2 濃度緩增對(duì)稻田土壤理化因子的影響

不同CO濃度處理下各生育期稻田土壤的理化性質(zhì)見(jiàn)表1。結(jié)果顯示，在不同CO濃度處理下，四個(gè)關(guān)鍵生育期的土壤含水率和pH 在較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。在分蘗期，AC 和EC 處理下土壤中DOC含量未見(jiàn)明顯變化，但EC 處理下土壤中 NH-N、NO-N和NO-N含量均顯著低于AC 處理。在拔節(jié)期，EC 處理的NO-N含量顯著高于（＜ 0.05）AC處理，而其他土壤理化因子未見(jiàn)有顯著變化。在揚(yáng)花期，與AC 相比，EC 處理的土壤有機(jī)碳與DOC含量顯著提高（＜ 0.05），但 NH-N 和NO-N含量顯著降低（＜ 0.05）。在乳熟期，EC 處理下土壤中DOC 含量較AC 有所增加，但未達(dá)到顯著性水平。

表1 不同CO2 濃度處理下各生育期稻田土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physiochemical properties of paddy soils during different rice growth stages under different CO2 treatments

2.2 大氣CO2 濃度緩增對(duì)稻田土壤甲烷氧化潛勢(shì)及甲烷氧化菌豐度的影響

土壤泥漿培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，該稻田土壤的甲烷氧化潛勢(shì)在分蘗期達(dá)到最高值，并隨著水稻的生長(zhǎng)，甲烷氧化潛勢(shì)呈下降趨勢(shì)（圖1a）。除分蘗期外，EC 處理促進(jìn)了土壤甲烷氧化潛勢(shì)，且在拔節(jié)期和乳熟期達(dá)到顯著性水平（＜ 0.05）。分蘗期的土壤甲烷氧化潛勢(shì)隨CO濃度的升高顯著降低（＜0.05）。綜合每個(gè)生育期的數(shù)據(jù)，EC 處理使得稻田整體甲烷氧化潛勢(shì)增加11.7%。

圖1 不同CO2 濃度處理下各生育期稻田土壤的甲烷氧化潛勢(shì)（a）及甲烷氧化菌pmoA 基因豐度（b）Fig. 1 Potential activity (a) and pmoA gene abundance (b) of methanotrophs in paddy soils during different rice growth stages under different CO2 treatments

2.3 大氣CO2 濃度緩增對(duì)稻田土壤甲烷氧化菌pmoA 基因多樣性的影響

利用OTU 水平上的Sobs 指數(shù)、香農(nóng)指數(shù)和Chao 1 指數(shù)，評(píng)估不同CO濃度處理下土壤中甲烷氧化菌豐富度和多樣性的變化。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，單個(gè)樣品中OTU 數(shù)介于40～189 之間。所有樣品OTU 的稀釋曲線均接近飽和狀態(tài)，表明本研究的測(cè)序深度足以描述甲烷氧化菌基因的多樣性。研究發(fā)現(xiàn)，各時(shí)期的甲烷氧化菌基因多樣性隨大氣CO濃度升高呈降低趨勢(shì)。其中在乳熟期，EC 處理下土壤中甲烷氧化菌的多樣性顯著低于（＜ 0.05）AC 處理。但在其他三個(gè)生育期，不同處理下土壤中基因多樣性差異不顯著（圖2）。

圖2 不同CO2 濃度處理下各生育期稻田土壤中pmoA 基因的Sobs 指數(shù)（a）和香農(nóng)指數(shù)（b）Fig. 2 The Sobs index（a）and Shannon index（b）of pmoA genes in paddy soils during different rice growth stages under different CO2 treatments

2.4 大氣CO2 濃度緩增對(duì)稻田土壤甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)的影響

以屬為水平對(duì)不同CO濃度處理下稻田土壤中甲烷氧化菌的群落組成進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)已知菌屬主要包括Ⅰ型的甲基八疊球菌（）、甲 基 單 胞 菌（）、 甲 基 球 菌（、甲基桿菌（）和Ⅱ型的甲基包囊菌（）（圖3）。在AC 處理下，土壤中Ⅰ型甲烷氧化菌占比37.23%，Ⅱ型菌占比39.95%；在EC 處理下，Ⅰ型占比50.2%，高于占比30.43%的Ⅱ型菌。因此，大氣CO濃度升高改變了甲烷氧化菌的優(yōu)勢(shì)菌群，使得Ⅱ型菌占比明顯提高。甲基包囊菌屬、甲基八疊球菌屬和甲基單胞菌屬始終是該稻田土壤中的優(yōu)勢(shì)菌屬。在AC 處理下，土壤中這三類優(yōu)勢(shì)甲烷氧化菌屬的相對(duì)豐度分別為39.95%、17.86%和8.69%；而在EC 處理下，這三種菌屬的相對(duì)豐度則分別為 30.43%、20.62%和18.77%。此外，土壤中還存在甲基球菌和甲基桿菌，以及其他未被分類的菌屬，但其相對(duì)豐度較低（圖3）。

圖3 不同CO2 濃度處理下各生育期稻田土壤甲烷氧化菌的群落組成Fig. 3 Community composition of methanotrophs in paddy soils during different rice growth stages under different CO2 treatments

對(duì)不同CO處理下土壤中甲烷氧化菌群落組成進(jìn)行組間差異顯著性檢驗(yàn)（圖4 a），發(fā)現(xiàn)某些環(huán)境序列和未被分類的菌屬的相對(duì)豐度存在顯著性差異（＜ 0.05）。但在乳熟期，EC 處理下使得甲基單胞菌的相對(duì)豐度顯著高于（＜ 0.05）AC 處理，而甲基包囊菌的相對(duì)豐度則顯著低于（＜ 0.05）AC 處理（圖4b）?？傮w而言，甲烷氧化菌群落在兩種CO濃度處理間，存在顯著差異（圖5，= 0.039）。

圖4 不同CO2濃度處理下稻田土壤中甲烷氧化菌在屬水平上的總體群落結(jié)構(gòu)差異（a）以及在和乳熟期的群落結(jié)構(gòu)差異（b）Fig. 4 Variation of methanotrophic community composition at genus level in paddy soils during rice growth period（a）and at milky stage（b）under different CO2 treatments

2.5 影響稻田甲烷氧化菌群落及其活性的主要環(huán)境因子

RDA 結(jié)果顯示，土壤pH 和NO-N 含量對(duì)甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)有顯著影響（＜ 0.05）（圖5）。不同CO濃度處理下土壤的甲烷氧化潛勢(shì)和基因豐度與DOC 含量、NH-N 含量呈正相關(guān)，而甲烷氧化潛勢(shì)又與pH 呈負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)到顯著性水平（表2）。本研究未發(fā)現(xiàn)單一的環(huán)境因子對(duì)甲烷氧化潛勢(shì)和基因豐度、多樣性的變化有顯著影響。此外，甲烷氧化潛勢(shì)和基因多樣性存在顯著正相關(guān)（＜ 0.05）。

圖5 不同CO2 濃度處理下稻田土壤中甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子關(guān)系的RDA 圖Fig. 5 Redundancy analysis（RDA）ordination plots showing the relationship between the community structures of methanotrophs and environmental factors in paddy soils under different CO2 treatments

3 討 論

甲烷是甲烷氧化菌唯一的碳源和能源。據(jù)報(bào)道，土壤中甲烷濃度是影響稻田甲烷氧化潛勢(shì)和甲烷氧化菌群落的重要因素。大量研究表明，土壤中甲烷氧化速率隨甲烷濃度的升高而增加。大氣CO濃度升高會(huì)促進(jìn)稻田中甲烷的產(chǎn)生量。這主要是由于CO濃度升高刺激了水稻的生長(zhǎng)發(fā)育，增加了其根系生物量和分泌物，導(dǎo)致向土壤中釋放更多的含碳物質(zhì)。這給產(chǎn)甲烷菌提供了更多的底物來(lái)源。本研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度緩增增加了某些生長(zhǎng)期稻田根際土壤甲烷氧化菌的豐度以及甲烷氧化潛勢(shì)（圖1）。相關(guān)性分析顯示，甲烷氧化潛勢(shì)和基因豐度均與DOC 含量呈正相關(guān)關(guān)系（表2）。這說(shuō)明大氣CO濃度升高間接導(dǎo)致土壤DOC 含量增加，使產(chǎn)甲烷潛勢(shì)增強(qiáng)，進(jìn)而給甲烷氧化菌提供了更多底物甲烷來(lái)源。土壤中相對(duì)較高濃度的甲烷有利于甲烷氧化潛勢(shì)和甲烷氧化菌豐度的增加。

表2 不同CO2 濃度處理下稻田土壤的甲烷氧化潛勢(shì)及pmoA 基因豐度、多樣性與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 2 Potential correlations between the potential activity of methanotrophs，pmoA gene diversity and abundance and different environmental factors in paddy soils under different CO2 treatments

與此同時(shí)，氧氣的可獲得性是甲烷氧化的重要限制因子。大氣CO濃度升高可使水稻根系的通氣組織愈加發(fā)達(dá)，繼而增加大氣向水稻根際O的輸送。這在一定程度上可以提高水稻根際的甲烷氧化潛勢(shì)。早期，王義琴等利用微根窗技術(shù)對(duì)植物進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)在大氣CO濃度倍增條件下，植物的根長(zhǎng)和根數(shù)量與自然環(huán)境生長(zhǎng)的植物相比，分別增加了16%和34%。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在揚(yáng)花期和乳熟期的土壤中，甲烷氧化菌豐度與同時(shí)期的甲烷氧化潛勢(shì)呈相同的變化趨勢(shì)：均隨大氣CO濃度的升高而顯著增加（＜ 0.05）（圖1）。該結(jié)果很可能是由于在水稻生長(zhǎng)的中后期，大氣CO濃度升高下水稻根系生長(zhǎng)更加發(fā)達(dá)，使得根際區(qū)域O含量增加，從而刺激了甲烷氧化菌的生長(zhǎng)與活性。先前的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度升高會(huì)促進(jìn)稻田土壤甲烷氧化菌活性及其基因豐度的增加。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度升高會(huì)增強(qiáng)葉片的水分利用效率，使得土壤水分增加，進(jìn)而通過(guò)影響土壤中O擴(kuò)散速率抑制甲烷氧化活性。但這種情況多發(fā)生于森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)中。稻田土壤長(zhǎng)時(shí)間處于淹水條件，水分較為充足。大氣CO濃度升高所引起的土壤含水量的微小增加，可能不足以改變稻田中的氣體擴(kuò)散速率。本研究中稻田表層土壤的含水率較高，且并未隨CO濃度升高發(fā)生明顯改變（表1）。

氮素含量是影響稻田甲烷氧化的另一重要環(huán)境因子。本研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度升高導(dǎo)致了土壤中 NH-N 和NO-N含量的減少（表1）。有研究表明，通過(guò)長(zhǎng)達(dá)15 年的CO富集試驗(yàn)，大氣CO濃度升高會(huì)造成稻田生態(tài)系統(tǒng)中 NH-N 的大量損失，這可能是由于 NH的厭氧氧化和鐵的還原增強(qiáng)所致。土壤中 NH-N 的減少還可能與作物根系生長(zhǎng)對(duì)銨態(tài)氮的吸收增強(qiáng)有關(guān)。同時(shí)，大氣CO濃度升高會(huì)降低土壤NO-N的積累，這是因?yàn)榈咎锔瞪锪亢头置谖锏脑黾哟龠M(jìn)了反硝化活性的增強(qiáng)。稻田土壤中較高濃度的 NH會(huì)通過(guò)增加硝化作用來(lái)抑制甲烷氧化菌的生長(zhǎng)及活性。Adamsen 和King在土壤培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，較高濃度的NO-N也會(huì)抑制土壤甲烷氧化活性。但其抑制作用的機(jī)理尚不明確，可能是由于NO本身或通過(guò)NO還原產(chǎn)生NO對(duì)甲烷氧化菌的毒害作用。通常情況下，稻田土壤的本底 NH-N 含量較高（氮肥施用所致）。為此，本研究中大氣CO濃度升高所致土壤 NH-N 和NO-N積累的減少，可能有助于緩解氮素對(duì)稻田甲烷氧化的抑制作用。

隨著大氣CO濃度的升高，甲烷氧化菌的優(yōu)勢(shì)菌群發(fā)生了改變：從Ⅱ型菌（相對(duì)豐度為39.95%）轉(zhuǎn)變?yōu)棰裥途鷮伲ㄏ鄬?duì)豐度為50.2%）。因此，大氣CO濃度升高促使了土壤中Ⅱ型菌向Ⅰ型菌的演替。AC處理的優(yōu)勢(shì)菌屬為甲基包囊菌（Ⅱ型）、甲基八疊球菌和甲基單胞菌（均為Ⅰ型）（圖3）。這與先前稻田土壤中甲烷氧化菌的主要類型是Ⅱ型菌的結(jié)果一致。據(jù)報(bào)道，甲基彎曲菌和甲基包囊菌（均為Ⅱ型）的相對(duì)豐度會(huì)隨大氣CO濃度升高而降低。研究表明，在高 NH條件下，甲基孢囊菌（Ⅱ型）的競(jìng)爭(zhēng)力高于Ⅰ型菌。大氣CO濃度升高所導(dǎo)致NH-N 含量的減少，很可能削弱了甲基孢囊菌的競(jìng)爭(zhēng)力，使其豐度下降（圖4 a）。除氮素含量外，稻田土壤中的O濃度和營(yíng)養(yǎng)條件的變化亦可能會(huì)改變甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)。以往的研究表明，Ⅰ型菌在高氧和營(yíng)養(yǎng)充足的環(huán)境中有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而Ⅱ型菌更適應(yīng)在低氧和寡營(yíng)養(yǎng)的環(huán)境下生長(zhǎng)。如前所述，大氣CO濃度升高會(huì)促進(jìn)水稻根系分泌物和通氣組織容積的增加，這為Ⅰ型菌的生長(zhǎng)提供了更為合適的生存環(huán)境。

4 結(jié) 論

大氣CO濃度緩增促進(jìn)了稻田土壤甲烷氧化潛勢(shì)的增加，以及甲烷氧化菌的生長(zhǎng)。同時(shí)，大氣CO濃度升高顯著改變了土壤中甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)，使得優(yōu)勢(shì)菌屬由起初的Ⅱ型菌轉(zhuǎn)變?yōu)棰裥途?。大氣CO濃度升高會(huì)促進(jìn)作物的生長(zhǎng)，導(dǎo)致稻田土壤中甲烷濃度和根際環(huán)境通氣性的增加，并調(diào)節(jié)土壤中的氮素水平。以上多個(gè)環(huán)境因子的綜合作用很可能是稻田甲烷氧化潛勢(shì)、甲烷氧化菌豐度與群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的重要原因。