中国作为传统的农业大国,高消耗、高投入、高需求的农业发展模式推动着中国农业非CO2温室气体排放总量持续增长.农业源非CO2气体以极具增温潜势的CH4和N2O为主,控制农业源非CO2温室气体排放是我国实现农业绿色发展和"双碳"目标的重要环节.我国农业系统非CO2温室气体核算尚处于不断探索完善的过程之中,在估算方法、模型参数等方面还未形成一套完整和公认的体系.研究参考IPCC分类法建立了适用于中国农业系统的,包括种植业、畜牧业和农业废弃物的农业非CO2温室气体排放核算体系.以2020年为基准对中国农业温室气体排放情况进行了核算.结果显示,我国农业系统非CO2温室气体排放总量为62801.68万t CO2-e,CH4是农业系统排放贡献最大的温室气体.我国农业系统温室气体排放类型具有明显的空间分异特征;西北、华北、西南以畜牧业温室气体为主导,华东、华南地区以种植业为主导,东北、华中地区较为特殊,主导类型相对复杂;农业废弃物排放主要分布在东北、华东地区.研究所构建的温室气体核算体系可充分体现我国农业温室气体排放现状,体现各省域农业温室气体排放结构,有利于各区域制定有针对性的农业规划政策,可为降低我国农业温室气体核算研究中的不确定性、为碳中和实现过程中明确农业系统的温室气体贡献提供方法支持与数据基础.

稻田是甲烷(CH4)的重要排放源之一,其对全球气候变化有着重要影响.大气CO2浓度升高(e[CO2])对稻田生态系统碳循环具有重要作用,阐明e[CO2]对稻田CH4排放及相关微生物过程的影响对稻田生态系统的固碳和减排具有重要意义.本文综述了 e[CO2]对稻田CH4排放及碳循环相关功能微生物活性、丰度、群落组成和多样性的影响,梳理了 e[CO2]背景下不同微生物过程在稻田CH4减排中的作用及其主要环境影响因素.总体而言,不同e[CO2]平台类型、熏蒸年限、浓度梯度以及增加方式均对稻田CH4排放有着一定影响.e[CO2]促进了稻田CH4排放,但会随着CO2熏蒸年限的增加而逐渐降低,这说明稻田CH4排放相关微生物对e[CO2]具有一定适应性;e[CO2]对稻田CH4排放的促进作用呈先减弱后增强的趋势;骤增处理可能会高估稻田CH4排放.e[CO2]对相关微生物过程的影响主要表现为:e[CO2]提高了产甲烷菌、甲烷好氧氧化菌和厌氧氧化菌活性及主要功能微生物丰度;e[CO2]使甲烷氧化菌群落组成和多样性发生显著改变,但对产甲烷菌和甲烷厌氧氧化菌群落组成和多样性影响不大.最后,本文对未来相关的研究方向进行了展望:1)可综合探究e[CO2]对稻田CH4排放及产甲烷过程、甲烷好氧和厌氧氧化过程的影响,以更好地揭示气候变化对稻田CH4排放的机理;2)应在长期条件下探究e[CO2]对稻田CH4排放及相关微生物过程的影响机制,结果将更为真实、准确;3)需进行多尺度(时间和空间)、多要素(CO2浓度、温度、大气氮沉降和水分管理措施)以及多方法(观测、数据与模型相结合)等综合研究,以有效降低未来气候变化情景下稻田CH4排放及相关微生物过程对e[CO2]响应评估的不确定性.

微塑料因在土壤环境中广泛存在及其潜在的生态风险而受到越来越多的关注.微塑料的赋存会改变土壤理化性质,并对土壤微生物群落及其驱动的生物地球化学过程产生影响,而相关研究尚处于起步阶段.可生物降解塑料作为传统塑料的替代品,越来越多地应用于农业活动,并释放到土壤中.然而,可生物降解微塑料对土壤微生物特性产生影响的研究鲜有报道.基于此,本试验以我国三江平原水稻田土壤为研究对象,选取了 2种常见的微塑料为试验材料,分别为传统型微塑料聚丙烯(Polypropylene,PP)和可降解微塑料聚乳酸(Polylactic acid,PLA),进行了为期41d的微宇宙培养实验,旨在分析不同浓度与类型的微塑料对土壤可溶性有机碳(Dissolved Organic Carbon,DOC)含量及官能团特征、温室气体排放以及微生物群落结构的差异性影响.结果表明,传统型微塑料PP与可降解微塑料PLA添加均对土壤理化性质与微生物群落产生显著影响.其中,微塑料添加大体上增加了土壤DOC含量,PLA的促进作用较为明显,且增加含量与微塑料添加量呈正相关;PP和PLA均影响土壤DOC分子结构,削弱了土壤团聚化程度并促进了大分子量DOC化合物的生成;微塑料的添加促进土壤CH4排放,而有效抑制了土壤CO2排放;微塑料显著改变了土壤细菌和真菌群落的丰富度与多样性.相关分析结果表明,土壤CO2累计排放量与芳香族化合物结构及疏水性等官能团特征、变形菌门(Proteobacteria)与放线菌门(Actinobacteria)均呈显著正相关关系.以上结果表明,微塑料添加改变了土壤DOC含量及官能团特征与微生物环境,进而影响土壤温室气体排放.本研究为今后微塑料对土壤地球化学和微生物特性的影响研究提供了科学的思路,同时也有助于评估微塑料对土壤生态系统的生态风险.

土壤碳通量是森林生态系统碳循环的重要组成部分,根系对土壤碳通量起着关键作用,研究根系对土壤碳通量的影响对寒温带冻土区温室气体研究有重要意义.以杜香-兴安落叶松林(DXL)、杜鹃-兴安落叶松林(DJL)和苔藓-兴安落叶松林(TXL)为研究对象,通过壕沟法进行断根处理,采用便携式土壤呼吸仪G4301对土壤碳通量进行日动态和月动态变化测定与分析.结果表明:6-11月,断根对DXL和DJL 土壤CH4的吸收起抑制作用,降幅分别为15.16％—54.31％和11.26％—33.84％,对TXL土壤CH4的排放起促进作用,增幅为19.22％—75.52％;对3种类型兴安落叶松林土壤CO2的排放均起抑制作用,其中对TXL影响最大,对土壤CO2降幅为32.29％—87.62％.断根对DXL和TXL 土壤CH4的影响在8月最为显著,增幅分别为-54.31％和75.52％,DJL在11月影响最为显著,降幅为33.84％.断根对3种类型兴安落叶松林土壤CO2排放的影响在6-11月均达到显著程度,其中在11月最为显著,降幅为54.94％-87.62％.断根对3种类型兴安落叶松林土壤CH4通量日动态影响差异不显著;而对土壤CO2通量的影响显著,其中在14:00-18:00影响最为显著,降幅为31.87％-62.26％.土壤温度和空气温度是根系影响土壤碳通量变化的主要因子,断根处理增强了土壤温度对其日变化和月变化的影响,减弱了空气温度对其日动态的影响.这表明,根系自养产生的土壤碳通量可能在日动态变化中更活跃,而在月动态变化中更稳定.

一碳气体主要包括CO、CO2 和CH4 等,这些气体来源于陆地生物活动、工业废气以及气化合成气等,其中CO2与CH4是温室气体,对全球气候变化有着重要的影响.利用微生物进行一碳气体生物转化既可以解决废气排放的问题,又能生产燃料及多种化学品.近年来,运用CRISPR/Cas9 等基因编辑技术对一碳气体利用微生物进行改造,是提高它们的产物得率、增加产物类型的重要途径.本文主要围绕甲烷营养菌、自养乙酸菌、一氧化碳营养菌等一碳气体利用微生物,综述了其生物学特性、好氧和厌氧代谢途径、代谢产物,以及常用的基因编辑技术(利用同源重组的基因中断技术、二类内含子 ClosTron 法、CRISPR/Cas 基因编辑及以噬菌体重组酶介导的DNA大片段引入等)在它们中的应用,为后续相关研究提供参考.

为了研究氮沉降对内蒙古额尔古纳草甸草原主要温室气体(CO2、CH4和N2O)排放通量的影响,该研究通过添加NH4NO3模拟氮沉降,并设置6个氮添加水平(0、2、5、10、20、50 g·m-2·a-1),同时考虑到草地利用方式的影响,设置刈割和不刈割2个处理水平.分别于2020年和2021年的生长季(5-9月),采用静态箱-气相色谱法测定了3种温室气体的排放通量.主要结果有:1)生长季内3种温室气体的排放通量对氮添加的响应呈明显的非线性,但响应格局在3种温室气体之间存在明显的差异.2)当氮添加量达到5-10g·m-2·a-1时,CO2的通量达到峰值,表现出显著的饱和性特征;CH4的吸收在低氮添加(0-5 g·m-2·a-1)时受到促进,且这种促进作用随着氮添加量的增加而增强,但氮添加量达到5-10 g·m-2·a-1时,对CH4吸收的促进作用逐渐减弱,且高氮添加(50 g m-2·a-1)显著抑制CH4的吸收;N2O的排放通量对氮添加的响应总体也随氮添加量的增加而显著增加,但响应模式与幅度存在年际差异.3)刈割仅在2021年对CH4的吸收具有显著的促进作用.4)综合两年的结果,CO2排放通量与降水量和硝态氮含量显著正相关,与pH显著负相关.CH4吸收通量与降水量和铵态氮含量显著正相关,与pH显著负相关.N2O排放通量与土壤温度和铵态氮含量显著正相关,与硝态氮含量显著负相关.上述研究结果表明,大气氮沉降增加对温室气体排放的影响具有普遍的非线性特征,但不同温室气体的通量格局存在一定的差异.该研究结果对控制氮肥用量、选择合适的草地利用方式、评估草地生态系统变暖潜势具有重要意义.

为了探究台风风暴潮导致的盐度脉冲、潮汐涨落以及两者的耦合作用对河口湿地土壤二氧化碳(CO2)与甲烷(CH4)排放产生的影响,选取闽江河口道庆洲短叶茳芏湿地土壤为研究对象,通过室内模拟实验,研究不同潮汐过程情景下由于盐度和潮水涨落变化,河口湿地CO2与CH4排放特征并分析其主要影响因子.研究结果表明:(1)潮汐淹水显著抑制CO2 排放,但促进CH4排放(P＜0.05).盐度增加(0-8‰)促进了土壤CO2排放(P＞0.05);0-2‰盐度促进土壤CH4排放(P＞0.05),2‰-8‰盐度抑制土壤CH4排放(P＜0.05).(2)盐度脉冲耦合潮汐过程显著抑制了CH4排放(P＜0.05),且一定程度上抑制了CO2排放(P＞0.05).(3)CO2排放与孔隙水中的氨态氮(NH+4-N)呈极显著正相关(P＜0.01),与硝态氮(NO-3-N)、可溶性有机碳(DOC)和土壤pH呈显著负相关(P＜0.05).盐度脉冲耦合潮汐过程对CO2与CH4排放的影响是一个正负消长的博弈过程,在 0-8‰的盐度内,潮汐淹水对CO2排放的影响更大,而盐度在CH4排放中起主导作用.相较于盐度,潮汐淹水是影响闽江河口湿地含碳温室气体全球增温潜势的主导因素.

潮汐盐沼湿地具有高的碳积累速率和低的CH4排放量,是地球上最密集的碳汇之一.同时,气候变暖和海平面上升可能使得盐沼湿地更迅速的捕获和埋藏大气中的CO2,因此盐沼湿地的“蓝碳”在减缓气候变化方面扮演着重要角色.潮汐盐沼湿地与其他湿地类型最大的区别和最显著的特征是在周期性潮汐作用下出现淹没和暴露,同时伴随盐分表聚与淋洗的干湿交替,可能是控制盐沼湿地碳交换过程和碳收支平衡的关键因素.但是,当前潮汐水动力过程及其周期性干湿交替对盐沼湿地碳交换关键过程和碳汇形成机制的影响尚不十分清楚.另外,以往相关研究通常孤立地考虑垂直方向上CO2或CH4交换或横向方向上的可溶性有机碳(DOC)、可溶性无机碳(DIC)、颗粒有机碳(POC)交换通量对盐沼湿地碳平衡进行评估,显然不够准确.因此,为了精确评估和预测盐沼湿地蓝碳的吸存能力,必须系统研究潮汐不同阶段对盐沼湿地碳交换过程的影响;深入分析潮汐作用下盐沼湿地碳交换的微生物机制;关注潮汐水动力作用对盐沼湿地DOC 、DIC和POC产生、释放以及向邻近水体输出的影响;阐明潮汐作用对盐沼湿地碳汇形成机制的影响;纳入潮汐永动力过程作为变量,建立盐沼湿地碳循环模型.

为研究干旱区淡水湖泊人工、天然芦苇湿地土壤温室气体源汇强度及其影响因素,采用静态箱-气相色谱法,于2015年1月-12月对博斯腾湖人工和天然芦苇湿地土壤CO2、CH4和N2O通量进行全年观测.结果表明,人工芦苇湿地土壤CO2、CH4和N2O排放通量变化范同分别为:10.1-588.4mg m-2h-1、2.9-82.4μg m-2 h-1和1.32-29.7μg m-2h-1,天然芦苇湿地土壤CO2、CH4和N2O排放通量变化范围分别为10.3-469.6rng m-2h-1、3.1-64.8μg m-2 h-1和1.9-14.3μg m-2 h-1.人工和天然芦苇湿地夏季土壤CO2排放通量均明显高于其他季节,而土壤CH4和N2O排放通量较大值多集中在春末夏初.全年观测期间,人工芦苇湿地土壤CO2、CH4和N2O排放通量高于天然芦苇湿地(P＞0.05);温度是影响人工、天然芦苇湿地土壤CO2和N2O排放通量的关键因素,近地面温度和5cm土壤温度与CO2和N2O排放通量呈现极显著的正相关关系(P＜0.01).土壤CH4排放通量是温度和水分二者共同影响的,由近地表温度、5cm土壤温度和土壤含水量共同拟合的方程可以分别解释人工、天然芦苇湿地土壤CH4排放通量的71％、74.5％;土壤有机碳、pH、盐分、NH4+-N、NO3--N也是人工、天然芦苇湿地土壤CO2、CH4和N2O排放通量的影响因素;人工和天然芦苇湿地土壤均是CO2、CH4和N2O的“源”.基于100年尺度,由3种温室气体计算全球增温潜势得出,人工芦苇湿地全球增温潜势大于天然芦苇湿地(15150.18kg/hm2＞ 12484.21 kg/hm2).

通过室内模拟冻融实验,探讨了冻融强度(-5和-15℃)和循环次数(0、1、5、10和15次)对我国东北连续多年冻土和季节性冻土湿地二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)产生以及土壤微生物生物量碳(MBC)的影响.结果表明,不同冻融条件下,2种冻土中CO2 、CH4排放速率及MBC均表现为:在第1次冻融循环后有所降低,随后随着循环次数的增加,呈现先增高后降低并趋于稳定的趋势.总体上,循环次数显著影响2种冻土CO2、CH4排放和MBC.与对照和小幅度冻融循环相比,大幅温度波动显著促进2种冻土土壤碳排放,但冻融强度对MBC影响不大.实验期间,FTC(-15℃)处理中,连续多年冻土CO2累积排放量(679.99 mg·kg-1)高于季节性冻土(454.32 mg·kg-1),而对CH4累积排放量来说,在FTC(-5℃)处理时,连续多年冻土达到334.49 μg·kg-1,略高于其他处理;而在FTC(-15℃)处理时,季节性冻土则最高(600.07 μg· kg-1),可能意味着冻融过程中2种冻土产甲烷菌的温度敏感性具有一定差异.本研究为科学评估全球气候变化对我国东北主要冻土区的土壤碳周转提供了数据支持.