Potential methane production in oligohaline wetlands undergoing erosion and accretion in the Mississippi River Delta Plain, Louisiana, USA  

美國路易斯安那州密西西比河三角洲平原經(jīng)歷侵蝕和沉積的寡鹽濕地中潛在的甲烷生產(chǎn)  

來源：Science of the Total Environment, Volume 875, 2023, Article 162685  

《總體環(huán)境科學(xué)》第875卷，2023，文章編號162685  

 

摘要內(nèi)容

 

研究通過實驗室培養(yǎng)實驗（短期<4天和長期36天）比較了密西西比河三角洲平原（MRDP）中兩個對比系統(tǒng)——經(jīng)歷沉積的Wax Lake三角洲（WLD）和經(jīng)歷侵蝕的Barataria-Lake Cataouatche（BLC）——的濕地和底棲生境潛在CH?通量。關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：  

CH?排放普遍存在：所有生境均為CH?凈排放源，新形成的WLD沼澤生境（總碳5-24 mg C cm?3）的CH?通量（22.8 mg C m?2 d?1）高于有機(jī)質(zhì)更豐富的BLC沼澤（總碳67-213 mg C cm?3；16.7 mg C m?2 d?1），表明有機(jī)質(zhì)數(shù)量并非CH?通量的決定性因素（圖5, 圖6）。  

 

 

 

溫度與氧氣調(diào)控：20°C培養(yǎng)下CH?通量最高（除BLC沼澤外），溶解氧（DO）降至初始值50%以下時CH?濃度顯著上升（圖4），證實缺氧條件促進(jìn)產(chǎn)甲烷作用。  

 

 

生境差異：沼澤生境CH?通量顯著高于底棲生境（圖5），表明濕地退化為開放水域可能降低區(qū)域CH?總排放，但長期泥漿培養(yǎng)顯示BLC沼澤在厭氧條件下具極高CH?生產(chǎn)潛力（10.7 μmol g?1 dw d?1）（圖6）。  

 

研究目的

量化沉積型（WLD）和侵蝕型（BLC）三角洲系統(tǒng)中不同生境（沼澤、森林濕地、河道、湖泊）的潛在CH?通量。  

 

探究溫度、氧氣飽和度和有機(jī)質(zhì)含量對CH?生產(chǎn)的影響。  

 

評估濕地侵蝕-沉積轉(zhuǎn)換對區(qū)域CH?排放的潛在影響。  

 

研究思路

野外采樣與實驗室培養(yǎng)：  

 

在春、冬、夏三季采集WLD和BLC的完整沉積物/土壤巖芯（圖1），測定容重、有機(jī)質(zhì)（OM%）、總碳（TC）（圖2）。  

 

 

短期培養(yǎng)（<4天）：巖芯在模擬季節(jié)溫度（10°C, 20°C, 30°C）下進(jìn)行缺氧培養(yǎng)，監(jiān)測DO消耗和CH?累積（圖3, 表1）。  

 

 

長期培養(yǎng)（36天）：泥漿培養(yǎng)評估深層沉積物CH?生產(chǎn)潛力（圖6）。  

數(shù)據(jù)分析：  

 

使用Kruskal-Wallis檢驗比較生境、溫度間的CH?通量差異。  

 

通過DO消耗與CH?濃度比值（Ct/C0）分析氧化還原狀態(tài)對產(chǎn)甲烷作用的影響（圖4）。  

 

測量數(shù)據(jù)及研究意義

沉積物理化性質(zhì)（圖2）  

 

數(shù)據(jù)：WLD容重（1.20±0.06 g cm?3）顯著高于BLC（0.27±0.01 g cm?3），而BLC有機(jī)質(zhì)含量（沼澤50.2%）和總碳（沼澤109.98 mg cm?3）遠(yuǎn)高于WLD（沼澤總碳23.92 mg cm?3）。  

 

意義：揭示沉積物來源差異（WLD受礦物沉積輸入影響，BLC富集歷史有機(jī)碳），為CH?通量空間變異提供背景。  

短期巖芯培養(yǎng)CH?通量（圖5, 表1）  

 

數(shù)據(jù)：WLD沼澤20°C培養(yǎng)通量最高（112.4±25.0 μmol m?2 h?1），BLC沼澤30°C通量最高（74.9±12.5 μmol m?2 h?1）；底棲生境通量普遍低于沼澤。  

 

意義：證明溫度對產(chǎn)甲烷代謝的非線性影響（20°C為最適溫度），并表明沼澤退化將降低區(qū)域CH?排放。  

長期泥漿培養(yǎng)CH?通量（圖6）  

 

數(shù)據(jù)：BLC沼澤0-4 cm層CH?通量（10.7 μmol g?1 dw d?1）是WLD沼澤（0.26 μmol g?1 dw d?1）的40倍。  

 

意義：揭示BLC高有機(jī)質(zhì)沼澤在充分厭氧條件下的巨大產(chǎn)甲烷潛力，警示海平面上升導(dǎo)致的淹水增加可能加劇CH?排放。  

DO消耗與CH?生產(chǎn)關(guān)系（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：DO降低>50%時，CH? Ct/C0比值顯著上升（如WLD沼澤20°C培養(yǎng)比值>5）。  

 

意義：明確缺氧閾值（DO<50%）是觸發(fā)產(chǎn)甲烷作用的關(guān)鍵條件。  

 

結(jié)論

有機(jī)質(zhì)質(zhì)量主導(dǎo)CH?生產(chǎn)：盡管BLC有機(jī)質(zhì)含量更高，WLD新沉積沼澤的CH?通量更高，表明新鮮、易分解有機(jī)質(zhì)（如河流輸入）比老化的有機(jī)碳更利于產(chǎn)甲烷。  

 

溫度與缺氧協(xié)同調(diào)控：20°C為CH?生產(chǎn)最適溫度，但DO降至50%以下是啟動產(chǎn)甲烷的必要條件。  

 

生境轉(zhuǎn)換影響區(qū)域排放：沼澤生境CH?通量顯著高于底棲生境，預(yù)示濕地退化為開放水域?qū)⒔档蛥^(qū)域CH?排放，但BLC沼澤的高產(chǎn)甲烷潛力表明長期淹水可能逆轉(zhuǎn)此趨勢。  

 

方法學(xué)啟示：培養(yǎng)法可能低估原位通量（忽略植物介導(dǎo)傳輸和氣泡排放），需結(jié)合多種方法（腔室法、渦度協(xié)方差）評估區(qū)域碳平衡。  

 

丹麥Unisense電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

研究中使用的Unisense微電極用于監(jiān)測巖芯培養(yǎng)過程中的溶解氧（DO）動態(tài)：  

高精度DO消耗量化：  

 

實時監(jiān)測培養(yǎng)過程中DO濃度變化（圖3），精確計算DO消耗速率（表1），如WLD沼澤20°C培養(yǎng)DO消耗達(dá)536.0±26.5 μmol m?2 h?1。  

 

意義：直接關(guān)聯(lián)DO消耗與CH?生產(chǎn)，證實DO降至<50%時產(chǎn)甲烷作用被激活（圖4），為缺氧閾值提供實驗證據(jù)。  

氧化還原狀態(tài)診斷：  

 

通過DO下降速率判斷沉積物耗氧代謝強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)20°C培養(yǎng)代謝最活躍（如WLD沼澤DO消耗速率最高），解釋該溫度下CH?通量峰值。  

 

意義：揭示溫度通過調(diào)控微生物代謝（如好氧呼吸、反硝化）間接影響產(chǎn)甲烷底物可用性，補(bǔ)充了溫度對CH?通量的非線性效應(yīng)機(jī)制。  

實驗終點控制：  

 

設(shè)定DO<20%初始值作為培養(yǎng)終止標(biāo)準(zhǔn)，避免極端缺氧導(dǎo)致的測量誤差。  

 

意義：確保培養(yǎng)條件接近自然濕地動態(tài)缺氧狀態(tài)，提高CH?通量數(shù)據(jù)的生態(tài)相關(guān)性。  

 

核心價值：Unisense電極實現(xiàn)了培養(yǎng)實驗中DO動態(tài)的毫米級分辨率和實時監(jiān)測，為濕地沉積物-水界面氧化還原過程的精確控制提供了技術(shù)支撐，尤其適用于解析缺氧程度與產(chǎn)甲烷作用的定量關(guān)系。