標題：Regulating autogenic vegetation in the riparian zone reduces carbon emissions: Evidence from a microcosm study

調節河岸帶自生植被可減少碳排放：微觀研究的證據

來源：Science of the Total Environment 840 (2022) 156715

 

摘要內容

摘要通過220天（110天旱季+110天淹水季）的微宇宙實驗，揭示了河岸帶自生植被對碳排放的影響機制。研究表明：

1. 植被存在增加碳排放：旱季植被通過根系呼吸使CO?通量顯著升高（NT組835.58 mg/m2/h vs 對照組411.55 mg/m2/h）；淹水季植被殘體分解提升沉積物TOC（0.91% vs 0.73%）和水體DOC（16.51 mg/L vs 10.69 mg/L），導致CO?和CH?濃度激增（沉積物溶解CO?：1077.76 μmol/L vs 406.42 μmol/L）。

2. 植被收割降低碳排放：淹水前收割植被（RT組）使沉積物TOC降低19.8%，DOC降低34.1%，CO?通量從222.95 mg/m2/h降至-53.71 mg/m2/h（碳匯狀態），凈生態系統碳收支（NECB）減少48%。

3. 微生物機制：植被殘體分解促進產甲烷菌（mcrA基因拷貝數增加）和碳代謝酶（如多磷酸葡萄糖激酶）活性，而收割植被抑制此類微生物活動（mcrA/pmoA比值下降71.4%）。

 

研究目的

研究旨在闡明：

1. 河岸帶植被在干濕交替環境下的碳循環作用；

2. 植被殘體分解對CO?和CH?排放的貢獻；

3. 植被收割調控對碳減排的可行性及機制；

4. 微生物群落和功能酶在碳轉化中的響應。

 

研究思路

采用"微宇宙模擬-多組對照-多參數追蹤"策略：

1. 實驗設計：設置三組處理——

 NT組：旱季播種草甸羊茅（Festuca arundinacea），淹水季保留植被殘體；

 RT組：淹水前收割地上植被；

 對照組：無植被。

 

2. 階段監測：

 旱季：監測植被生長、根系呼吸及CO?/CH?通量；

 淹水季：追蹤殘體分解對沉積物TOC、水體DOC及溶解氣體的影響。

 

3. 機制解析：

 微生物分析：qPCR定量mcrA（產甲烷菌）、pmoA（甲烷氧化菌）基因；

 酶活性檢測：碳代謝關鍵酶（如EC 2.7.1.63多磷酸葡萄糖激酶）；

 NECB計算：整合碳輸入（植被NPP）與輸出（CO?/CH?排放）。

 

測量的數據及其研究意義

研究測量了多維度數據，每項數據均來自文檔中的圖表，其研究意義如下：

 植被生物量與碳固定：旱季NT組植被NPP達1438.33 kg C/ha。意義：量化植被固碳潛力，為NECB計算提供輸入項。

 

 氣體通量時空動態（圖4a-b）：

 旱季NT組CO?通量（835.58 mg/m2/h）顯著高于對照組（411.55 mg/m2/h）。意義：揭示植被呼吸是旱季碳排放主要來源。

 淹水季RT組CO?通量（-53.71 mg/m2/h）轉為負值。意義：證實收割植被可使系統從碳源轉為碳匯。

 

 溶解氣體濃度（圖3a-d）：

 淹水季NT組沉積物溶解CH?（7.12 μmol/L）顯著高于RT組（2.13 μmol/L）。意義：植被殘體分解驅動厭氧環境促進CH?生成。

 微生物基因豐度（圖5a-c）：

 

 NT組mcrA/pmoA比值較RT組高71.4%。意義：揭示植被殘體提升產甲烷菌相對豐度，增加CH?排放風險。

 

 碳代謝酶活性（圖6）：

 

 淹水季NT組多磷酸葡萄糖激酶（EC 2.7.1.63）活性顯著高于RT組。意義：酶活性升高加速有機碳礦化為CO?。

 

 凈生態系統碳收支（表1）：

 

 RT組220天NECB為-2313.38 kg C/ha，較NT組（-4488.31 kg C/ha）降低48%。意義：首次量化植被收割的碳減排效益。

 

丹麥Unisense微電極測量數據的詳細解讀

研究使用丹麥Unisense微電極（型號OX-25）測量沉積物-水界面溶解氧（DO）剖面，核心研究意義如下：

 

 DO梯度揭示缺氧機制（圖2）：

 

 淹水早期（第111天），NT組沉積物DO滲透深度顯著低于對照組，表明植被殘體分解快速消耗氧氣（NT組DO耗盡深度>5 cm）。

 

 淹水后期（第220天），NT組沉積物完全厭氧（DO≈0），而RT組因植被收割維持淺層氧化區（DO滲透深度2-3 cm）。

 

 關聯碳轉化路徑：

 

 DO耗竭與高CH?濃度（R=0.93, p<0.01）證實缺氧環境驅動產甲烷作用；

 

 RT組較淺的DO滲透深度解釋其低CH?排放（0.64 mg/m2/h vs NT組1.45 mg/m2/h）。

 

 技術優勢：微電極的毫米級空間分辨率（探頭直徑≤100 μm）實現沉積物-水界面DO動態原位監測，克服傳統方法無法捕捉微區氧梯度的局限。

 

結論

1. 植被加劇碳排放：河岸帶植被通過根系呼吸（旱季）和殘體分解（淹水季）顯著提升CO?/CH?排放，NT組220天凈碳排達4488.31 kg C/ha。

2. 收割有效減排：淹水前收割植被（RT組）使沉積物TOC降低19.8%，抑制產甲烷菌（mcrA基因拷貝降幅>50%）和碳代謝酶活性，NECB減少48%。

3. 微生物核心作用：植被殘體通過提升mcrA/pmoA比值（+71.4%）和酶活性（如多磷酸葡萄糖激酶+32.4%）驅動碳礦化，而收割植被逆轉此效應。

4. 管理建議：將植被收割納入河岸帶管理策略，可有效減少水庫消落區溫室氣體排放。

 

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關鍵圖表索引：

 圖1：實驗裝置示意圖

 圖2：DO剖面（Unisense微電極數據）

 圖3：溶解CO?/CH?濃度

 圖4：CO?/CH?通量

 圖5：mcrA/pmoA基因豐度

 圖6：碳代謝酶活性

 表1：凈生態系統碳收支（NECB）