Transport, anoxia and end-product accumulation control carbon dioxide and methane production and release in peat soils  

泥炭土壤中二氧化碳和甲烷產(chǎn)生與釋放的運輸、缺氧和最終產(chǎn)物積累控制  

來源：Biogeochemistry, Volume 133, 2017, Pages 219-239

《生物地球化學(xué)》，第133卷，2017年，第219-239頁

 

摘要  

論文摘要指出，厭氧呼吸和甲烷生成在水飽和泥炭土壤中會因代謝最終產(chǎn)物（溶解無機碳DIC和甲烷CH4）的積累而減緩，這是由于溶質(zhì)和氣體運輸不足。研究通過柱實驗探究擴散、平流水通量、強化氣泡運輸和擴散供氧對厭氧分解速率和碳周轉(zhuǎn)的影響。結(jié)果顯示，DIC和CH4積累導(dǎo)致分解在150天后減緩，厭氧生產(chǎn)速率在近水位處最快，隨深度銳減。DIC停留時間與厭氧呼吸負相關(guān)，可作為泥炭分解預(yù)測指標。平流運輸擴大了甲烷生成區(qū)，但氣泡運輸和嚴格缺氧條件影響較小。  

 

研究目的  

研究目的包括：實驗驗證泥炭埋藏導(dǎo)致厭氧分解失活；調(diào)查平流垂直運輸和氣泡運輸是否增強深層泥炭的厭氧呼吸和甲烷生成；量化持續(xù)缺氧條件對碳通量和分解的影響；探索DIC停留時間作為厭氧分解速率預(yù)測因子的適用性。  

 

研究思路  

研究采用柱實驗，使用均質(zhì)泥炭，設(shè)置四種處理：擴散主導(dǎo)對照、平流運輸、強化氣泡運輸和缺氧條件。實驗持續(xù)300天，測量DIC和CH4濃度、生產(chǎn)速率、通量、氣體孔隙度、氧氣剖面和微生物碳生物量等參數(shù)。通過質(zhì)量平衡計算和統(tǒng)計分析，評估運輸對分解的影響。  

 

測量的數(shù)據(jù)及研究意義  

1 DIC和CH4濃度數(shù)據(jù)來自圖2，研究意義是顯示最終產(chǎn)物積累導(dǎo)致分解減緩，證實代謝抑制效應(yīng)，DIC濃度在深層達4-10 mmol L?1，CH4達0.3-1.0 mmol L?1，表明運輸限制加劇產(chǎn)物積累。  

 

 

2 氣體通量數(shù)據(jù)來自圖3和圖4，研究意義是比較不同處理下CO2和CH4排放，顯示平流處理CO2通量較高（平均147 mmol m?2 day?1），但處理間差異不顯著，突出運輸對通量影響有限。  

 

 

3 凈生產(chǎn)速率數(shù)據(jù)來自圖5，研究意義是揭示分解速率隨深度下降，在10-20 cm深度DIC生產(chǎn)速率為54-119 nmol cm?3 day?1，在40-80 cm降至0.001-0.07 nmol cm?3 day?1，強調(diào)深層泥炭分解失活。  

 

4 微生物生物量碳數(shù)據(jù)來自圖7，研究意義是顯示微生物碳隨深度減少（從0.31-0.71 mg g?1降至0.18-0.22 mg g?1），支持分解減緩與微生物活性下降相關(guān)。  

 

5 氧氣剖面數(shù)據(jù)使用丹麥Unisense電極測量，來自圖6，研究意義是量化氧化還原梯度，顯示氧氣在飽和區(qū)降至零，缺氧條件主導(dǎo)分解過程。  

 

6 DIC停留時間數(shù)據(jù)來自文本計算，研究意義是作為分解速率預(yù)測指標，與厭氧呼吸負相關(guān)（Spearman p < 0.01），提供運輸控制分解的新證據(jù)。  

 

結(jié)論  

研究得出結(jié)論：泥炭埋藏和代謝最終產(chǎn)物積累有效減緩分解，分解常數(shù)從近表面10?? year?1降至深層10?? year?1。平流運輸輕微擴大甲烷生成區(qū)，但氣泡運輸和缺氧條件影響不顯著。DIC停留時間可作為泥炭分解預(yù)測因子，需在環(huán)境變化模型中考慮運輸效應(yīng)。  

 

使用丹麥Unisense電極測量數(shù)據(jù)的研究意義  

使用丹麥Unisense氧微電極（Clark型）測量溶解氧剖面，以高空間分辨率（如微米級步長）揭示泥炭柱中的氧氣分布。研究意義在于直接驗證缺氧條件的存在：數(shù)據(jù)顯示氧氣在飽和區(qū)降至檢測限以下（<0.3 μmol L?1），證實厭氧環(huán)境主導(dǎo)深層分解；同時，在非飽和區(qū)，氧氣濃度梯度陡峭（從301 μmol L?1降至近零），幫助區(qū)分氧化和厭氧分解區(qū)域。這種測量提供了關(guān)鍵地球化學(xué)參數(shù)，將氧氣可用性與微生物過程耦合，證實運輸限制如何通過氧化還原梯度影響碳循環(huán)，為理解泥炭分解失活機制提供實驗支持。