Methane emissions offset atmospheric carbon dioxide uptake in coastal macroalgae, mixed vegetation and sediment ecosystems  

海岸帶大型藻類、混合植被和沉積物生態系統中甲烷排放抵消大氣二氧化碳吸收  

來源：Nature Communications, Volume 14, Article number: 42, Published 03 January 2023

《自然·通訊》第14卷，文章編號42，2023年1月3日發表  

 

摘要內容

 

研究通過高頻原位氣體通量測量（1Hz）結合沉積物微生物分析，量化了波羅的海三種典型海岸帶生境（大型藻類、混合植被、裸沉積物）的CO?和CH?海-氣交換。關鍵發現：  

CH?排放普遍存在：所有生境均為CH?凈排放源（0.1–2.9 mg CH? m?2 d?1），大型藻類生境（如墨角藻）的CH?排放由沉積物微囊和藻體附生產甲烷古菌驅動（圖3）。  

 

 

CO?匯功能被部分抵消：CH?的CO?當量排放（SGWP-100=45）抵消了大型藻類和混合植被生境28%和35%的大氣CO?吸收量（年凈CO?吸收量分別為-52和-71 g CO? m?2 y?1），并使裸沉積物的凈CO?排放增加57%（圖2）。  

 

微生物機制：16S rRNA測序揭示不同生境存在獨特的產甲烷古菌群落（如甲烷微菌目、甲烷八疊球菌目），證實了局地CH?生產（圖3c）。  

 

研究目的

量化海岸帶生態系統（大型藻類、混合植被、裸沉積物）的實時海-氣CO?和CH?通量。  

 

評估CH?排放對海岸帶碳匯功能（基于大氣CO?吸收）的抵消效應。  

 

揭示CH?產生的生境特異性微生物機制。  

 

研究思路

原位高頻監測：  

 

使用漂浮平臺搭載CRDS（腔衰蕩光譜儀）和自動氣體平衡器，每45分鐘循環測量三種生境的海-氣CO?/CH?通量（圖1）。  

 

 

輔以溫鹽、風速等環境參數。  

沉積物分析：  

 

沉積物氧微剖面（Unisense OX-100電極，100μm分辨率）測定氧滲透深度（OPD）和擴散通量（圖3a）。  

 

有機碳含量（LOI法）和16S rRNA基因測序（圖3b-c）。  

跨區域驗證：在芬蘭群島大型藻類生境重復驗證CH?濃度。  

 

通量計算：基于Wanninkhof風速模型計算氣體傳輸速率，結合SGWP（持續通量全球增溫潛勢）量化凈溫室氣體平衡。  

 

測量數據及研究意義

海-氣CO?/CH?通量（圖1）  

 

數據：大型藻類生境CH?通量0.1–1.8 mg m?2 d?1；裸沉積物夏季CO?排放峰值157±59 mg m?2 d?1。  

 

意義：首次證實大型藻類生境是CH?排放源，挑戰了"巖石基底無CH?"的傳統認知；揭示裸沉積物為凈CO?源。  

沉積物氧微剖面（圖3a）  

 

數據：氧滲透深度（OPD）0.8–1.7 mm；有機碳含量3–5%。  

 

意義：Unisense電極數據證明沉積物微缺氧環境存在，支持產甲烷古菌活性（詳見圖3a剖面）。  

微生物群落（圖3b-c）  

 

數據：產甲烷古菌相對豐度（如甲烷微菌目占混合植被生境的15%）。  

 

意義：解釋生境特異性CH?排放差異，大型藻類附生有機碎屑含甲烷桿菌科。  

跨區域CH?濃度  

 

數據：芬蘭大型藻類生境CH?濃度（56.69 nmol/L）顯著高于開闊水域。  

 

意義：證實大型藻類生境CH?排放的廣泛性。  

 

結論

碳匯功能被削弱：CH?排放抵消大型藻類和混合植被生境28–35%的CO?吸收量，裸沉積物凈溫室氣體排放增加57%（圖2）。  

 

生境機制差異：大型藻類CH?源于巖石縫隙沉積物和附生微囊產甲烷菌；混合植被和裸沉積物CH?由沉積物古菌主導。  

 

氣候策略啟示：海岸帶藍碳評估必須納入CH?排放，否則高估碳匯潛力30%以上。  

 

丹麥Unisense電極數據的詳細研究意義

 

研究中使用的Unisense OX-100微電極（Clark型，100μm尖端）用于沉積物氧微剖面測量：  

高分辨率氧梯度刻畫：  

 

以100μm垂向分辨率精準測定沉積物-水界面（SWI）附近的氧分布（圖3a），揭示氧滲透深度（OPD）僅0.8–1.7 mm。  

 

意義：證明所有生境沉積物表層存在毫米級缺氧區，為產甲烷古菌提供生存微環境。  

量化擴散通量邊界：  

 

結合Fick第一定律計算擴散氧通量（DOU），發現DOU與底層水氧濃度顯著正相關（R2=0.96）。  

 

意義：支持沉積物CH?產生受"擴散限制"理論主導，即CH?排放速率受控于沉積物-水界面的物理傳輸而非微生物活性上限。  

揭示生境差異機制：  

 

混合植被生境較淺的OPD與較高甲烷氧化菌（甲基球菌目）豐度匹配（圖3c），解釋其CH?排放低于裸沉積物。  

 

意義：電極數據直接關聯了沉積物氧化還原狀態與微生物功能，為模型參數化提供關鍵驗證。  

 

核心價值：Unisense電極的毫米級分辨率為沉積物-水界面氧化還原動態提供了不可替代的原位觀測證據，尤其適用于量化缺氧微囊的空間范圍及其對CH?產生的貢獻，這對理解海岸帶碳循環的微生物調控機制至關重要。