甲烷(CH_4)作為大氣中重要的溫室氣體,是導(dǎo)致全球氣候變化的重要因素。祁連山凍土區(qū)是我國(guó)陸域天然氣水合物的重要分布區(qū)。該地區(qū)甲烷來源廣泛,包括熱解成因氣,生物成因氣,混合成因氣以及水合物分解氣。其中,由產(chǎn)甲烷菌進(jìn)行的產(chǎn)甲烷活動(dòng)是大氣甲烷的重要生物來源。同時(shí),甲烷氧化菌對(duì)凍土甲烷的最終排放量具有重要的調(diào)控作用。本文通過實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)法對(duì)該地區(qū)土壤微生物甲烷產(chǎn)生與氧化特征進(jìn)行了探究,并對(duì)產(chǎn)甲烷菌與甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與豐度的變化進(jìn)行了分析,獲得以下認(rèn)識(shí):1.在厭氧條件下進(jìn)行了為期84天的土壤產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn),利用實(shí)驗(yàn)室模擬增溫以及設(shè)定不同pH條件探究了溫度和pH對(duì)土壤甲烷產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明:土壤甲烷產(chǎn)量與培養(yǎng)溫度(5~25°C)呈正相關(guān)性。表層樣的甲烷產(chǎn)量高于底層,沼澤草甸區(qū)產(chǎn)甲烷速率高于草原區(qū)和草甸區(qū);pH條件(6.5~7.5)的變化對(duì)表層樣甲烷產(chǎn)量的影響較小。2.為了對(duì)土壤甲烷生成途徑進(jìn)行探究,向培養(yǎng)樣中加入七種單一碳源,在25°C條件下進(jìn)行為期56天的產(chǎn)甲烷實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:表層樣主要以乙酸發(fā)酵和甲基營(yíng)養(yǎng)途徑產(chǎn)生甲烷,主要的可利用底物為乙酸,甲醇和三甲胺。底層樣主要的產(chǎn)甲烷途徑為CO_2還原型,主要的可利用底物為甲酸。3.在好氧條件下進(jìn)行了為期30天的土壤甲烷氧化實(shí)驗(yàn)。利用實(shí)驗(yàn)室模擬增溫探究了溫度對(duì)土壤甲烷氧化速率的影響。結(jié)果表明:土壤甲烷氧化速率與條件(5~25°C)呈正相關(guān)性。表層樣的甲烷氧化速率高于底層,高寒沼澤草甸和草甸區(qū)土壤甲烷氧化速率差異性較小,且高于草原區(qū)。4.經(jīng)25°C培養(yǎng)后,草原區(qū)表層與底層樣,高寒草甸與沼澤草甸區(qū)底層樣中優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌類群以Methanobacteriales為主;高寒草甸和沼澤草甸區(qū)表層樣中優(yōu)勢(shì)產(chǎn)甲烷菌類群以Methanosarcinales為主;培養(yǎng)后mcrA基因拷貝數(shù)約增長(zhǎng)了2~30倍。經(jīng)25°C培養(yǎng)后,甲烷氧化菌優(yōu)勢(shì)類群由Methylobacter轉(zhuǎn)變?yōu)镸ethylocystis,pmoA基因拷貝數(shù)約增長(zhǎng)了1~3倍。5.水合物鉆井區(qū)土壤甲烷吸收值(-6.196μmol d~(-1) g~(-1) soil)低于非水合物區(qū)(-2.094μmol d~(-1) g~(-1) soil),表明前者土壤甲烷氧化活性較高;水合物區(qū)土壤甲烷釋放值(0.022μmol d~(-1) g~(-1) soil)高于非水合物區(qū)(0.004μmol d~(-1) g~(-1) soil),指示前者土壤產(chǎn)甲烷活性較高。6.本文的預(yù)測(cè)結(jié)果表明,木里地區(qū)表現(xiàn)為甲烷弱匯,年均甲烷排放通量約-1.21×10~(-3) Tg。
【學(xué)位單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：P634;P618.13
【部分圖文】：

鉆井區(qū)DT測(cè)線各采樣點(diǎn)土壤甲烷排放量的范圍在-6.196~0.022μmol d-1g-1soil之間(圖7-7C,7-7D)。采樣點(diǎn)DT-2,DT-3和DT-5表層樣在不同的條件下的甲烷排放量均為負(fù)值,具有較高的甲烷吸收值。在5°C時(shí)甲烷吸收值均較低,隨著條件升高,表層樣的甲烷吸收值逐漸增加。整體而言,DT-2和DT-3表層樣的甲烷吸收值高于DT-5。DT-2-1在25°C時(shí)具有最高的甲烷吸收值,達(dá)到-6.196μmol d-1g-1soil。DT-2和DT-3底層樣在5°C時(shí)甲烷吸收值較低。而DT-5-2在5°C時(shí)的甲烷排放量為正,表現(xiàn)出較低的甲烷排放潛力,約為0.022μmol d-1g-1soil;隨著條件升高,其甲烷吸收值雖然逐漸增加,但仍低于表層,說明鉆井區(qū)采樣點(diǎn)土壤表層甲烷吸收潛力高于底層。研究區(qū)GHM剖面各采樣點(diǎn)三個(gè)土壤層甲烷排放量分析見圖7-8。各剖面點(diǎn)土壤甲烷排放量的范圍在-2.944~0.058μmol d-1g-1soil之間。在5°C條件下,采樣點(diǎn)GHM-1-1和中層土壤樣,GHM-3-1均表現(xiàn)出較低的甲烷排放潛力,甲烷的排放量分別約為0.040μmol d-1g-1soil,0.058μmol d-1g-1soil和0.046μmol d-1g-1soil。其它土壤層位在5°C時(shí)則表現(xiàn)出較低的甲烷吸收潛力。隨著條件升高,GHM-1,GHM-2和GHM-3各土壤層位的甲烷排放量均為負(fù)值,表現(xiàn)出了較高的甲烷吸收潛力。GHM-1-1樣在25°C條件下具有最高的甲烷吸收值,約為-2.944μmol d-1g-1soil。

研究區(qū)GHM剖面各采樣點(diǎn)三個(gè)土壤層甲烷排放量分析見圖7-8。各剖面點(diǎn)土壤甲烷排放量的范圍在-2.944~0.058μmol d-1g-1soil之間。在5°C條件下,采樣點(diǎn)GHM-1-1和中層土壤樣,GHM-3-1均表現(xiàn)出較低的甲烷排放潛力,甲烷的排放量分別約為0.040μmol d-1g-1soil,0.058μmol d-1g-1soil和0.046μmol d-1g-1soil。其它土壤層位在5°C時(shí)則表現(xiàn)出較低的甲烷吸收潛力。隨著條件升高,GHM-1,GHM-2和GHM-3各土壤層位的甲烷排放量均為負(fù)值,表現(xiàn)出了較高的甲烷吸收潛力。GHM-1-1樣在25°C條件下具有最高的甲烷吸收值,約為-2.944μmol d-1g-1soil。7.7.1.2土壤甲烷排放通量預(yù)測(cè)

為了對(duì)研究區(qū)各采樣點(diǎn)土壤60 cm深度內(nèi)的甲烷排放通量進(jìn)行預(yù)測(cè),本文首先對(duì)土壤表層(0-10 cm)和底層(50-60 cm)甲烷排放通量進(jìn)行計(jì)算。其中,每個(gè)土壤層位的深度為10 cm,土壤取樣器的內(nèi)徑為3.1 cm。通過土壤層體積,土壤容重與甲烷排放量的計(jì)算,得出土壤層在單位面積內(nèi)的甲烷排放通量。首先在60 cm土壤深度內(nèi),對(duì)土壤表層和底層單位面積內(nèi)的甲烷排放量進(jìn)行線性回歸分析(圖7-9),并進(jìn)一步估算10-20 cm,20-30 cm,30-40 cm以及40-50 cm四個(gè)土壤層位在單位面積內(nèi)的甲烷排放量(表7-4),以采樣點(diǎn)六個(gè)土壤層位的甲烷排放量之和作為該采樣點(diǎn)在60 cm土壤深度內(nèi)的甲烷排放通量值。研究區(qū)各采樣點(diǎn)土壤甲烷排放通量預(yù)測(cè)值見圖7-10。其中背景區(qū)采樣點(diǎn)DZ2-1,DZ2-3,DZ2-5以及鉆井區(qū)采樣點(diǎn)DT-2,DT-3,DT-5土壤深度為60 cm,濕地采樣點(diǎn)GHM-1,GHM-2,GHM-3土壤深度為30 cm。由圖7-10可以看出,研究區(qū)土壤甲烷排放通量的范圍在-3261.02~6.14μg cm-2d-1之間。采樣點(diǎn)DZ2-1和GHM-1在5°C甲烷排放通量為正值,表現(xiàn)出較低的甲烷排放潛力。整體而言,高寒草甸和沼澤草甸區(qū)土壤甲烷吸收值要大于草原區(qū),表現(xiàn)出較高的甲烷吸收潛力,其中沼澤草甸區(qū)采樣點(diǎn)DT-2在25°C時(shí)的甲烷吸收值最大,達(dá)到-3261.02μg cm-2d-1。
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