不同地區(qū)稻田土壤甲烷氧化碳同位素分餾特征及其影響因素研究

張曉艷，徐華，馬靜，劉梅先. 湖南第一師范學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 4005；. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 0008；3. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 405；4. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，廣西 環(huán)江 54700

不同地區(qū)稻田土壤甲烷氧化碳同位素分餾特征及其影響因素研究

張曉艷1，徐華2，馬靜2，劉梅先3， 4*
1. 湖南第一師范學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410205；2. 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，江蘇 南京 210008；3. 中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410125；4. 中國(guó)科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)研究站，廣西 環(huán)江 547100

稻田CH4氧化是CH4排放的自然調(diào)節(jié)，受多種因素的影響。中國(guó)水稻種植區(qū)分布廣，不同地區(qū)的氣候環(huán)境條件以及水肥管理措施，都會(huì)影響稻田CH4氧化及碳同位素分餾過(guò)程。因此，對(duì)比研究不同地區(qū)稻田甲烷氧化和同位素分餾規(guī)律，甄別其影響因子，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)稻田甲烷氧化規(guī)律，也可為稻田溫室氣體減排調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。文章基于穩(wěn)定性碳同位素的方法，結(jié)合室內(nèi)好氧培養(yǎng)試驗(yàn)，測(cè)定了全國(guó)主要水稻產(chǎn)區(qū)（四川、湖南、江西、浙江、廣東和遼寧）典型稻田土壤的CH4氧化過(guò)程，確定了CH4氧化碳同位素分餾系數(shù)αox，研究了不同稻田土壤在不同水分條件下的CH4氧化和同位素分餾的差異及規(guī)律。結(jié)果表明，四川資陽(yáng)以及湖南寶洞峪的水稻土壤CH4氧化潛力相對(duì)偏低，平均為其他地區(qū)土壤的六分之一。同時(shí)，不同地區(qū)稻田土壤CH4氧化同位素分流系數(shù)（13C）αox差異較大，且與CH4氧化潛力呈顯著負(fù)相關(guān)。在85% WHC（soil water holding capacity）和1∶1水土質(zhì)量比時(shí)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.85（P=0.032）和-0.82（P=0.047）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，土壤CH4氧化潛力與土壤活性鐵含量呈顯著正相關(guān)，在85% WHC和1∶1水土質(zhì)量比時(shí)，相關(guān)系數(shù)分別為0.86（P=0.042）和0.90（P=0.035）；而αox則與土壤活性鐵含量呈顯著負(fù)相關(guān)，85% WHC和1∶1水土質(zhì)量比時(shí)，相關(guān)系數(shù)均為-0.92（P=0.026）。由以上結(jié)果可知，土壤水分和土壤活性鐵是影響CH4氧化潛力和碳同位素分餾的重要因素，而有關(guān)其作用機(jī)制仍需進(jìn)一步的研究。

稻田土壤；甲烷排放；甲烷氧化；同位素分餾

引用格式：張曉艷， 徐華， 馬靜， 劉梅先. 不同地區(qū)稻田土壤甲烷氧化碳同位素分餾特征及其影響因素研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)，2016， 25（6）: 927-933.

ZHANG Xiaoyan， XU Hua， MA Jing， LIU Meixian. CH4Oxidation Isotope Fractionation and the Influences in Rice Fields in Different Regions in China ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（6）: 927-933.

近年來(lái)，全球范圍內(nèi)極端氣候頻繁出現(xiàn)，進(jìn)一步吸引了人們對(duì)全球氣候變化的關(guān)注（Asadieh et al.，2015；Shi et al.，2015）。極端氣候事件與氣候變暖是密切相關(guān)的（Cai et al.，2014；Easterling et al.，2000），而全球氣候變暖的主要原因是溫室氣體的排放，如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）和氟利昂等。其中，CH4是僅次于CO2的重要溫室氣體，單分子 CH4的增溫效應(yīng)是 CO2的 7.6～72倍，對(duì)全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)約為 18% （IPCC，2007）。

稻田是大氣CH4的重要來(lái)源，其CH4排放量達(dá)25.6 Tg·a-1（Yan et al.，2009）。中國(guó)水稻種植面積約占世界種植總面積的20%（Institute，2004），稻田 CH4排放在中國(guó)溫室氣體排放中占有較大比例（Zhang et al.，2015）。事實(shí)上，稻田CH4排放是土壤中CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸?shù)膬粜?yīng)。盡管稻田土壤整體以淹水還原條件為主，但在根土及土水界面也存在氧化區(qū)域，導(dǎo)致土壤中產(chǎn)生的CH4在排放至大氣前有相當(dāng)一部分被土壤甲烷氧化菌氧化（Reeburgh et al.，1997；Smemo et al.，2007；張曉艷等，2010a）。因此，CH4氧化是稻田CH4排放的自然調(diào)節(jié)，研究 CH4氧化過(guò)程對(duì)減少和調(diào)控稻田CH4排放具有重要意義（張曉艷等，2012）。

目前，測(cè)定土壤CH4氧化率的方法中，穩(wěn)定性碳同位素自然豐度方法與傳統(tǒng)的產(chǎn)生-排放差值法和添加甲烷氧化抑制劑法相比，具有可在自然條件下測(cè)定CH4氧化率、避免擾動(dòng)土壤環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，測(cè)定結(jié)果更加可靠。因此，自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已將穩(wěn)定性碳同位素法廣泛應(yīng)用到CH4的研究中（De Visscher et al.，2004；Templeton et al.，2006；Tyler et al.，1997；Zhang et al.，2015）。穩(wěn)定性碳同位素法的核心原理是利用甲烷氧化菌在氧化CH4時(shí)對(duì)12CH4和13CH4的選擇性不同，甲烷氧化菌可以更快速地氧化12CH4，導(dǎo)致排向大氣的CH4中12C/13C比率發(fā)生變化，形成13C富集，這種作用稱為“同位素分餾作用”。同位素分餾系數(shù)αox即表示甲烷氧化菌喜好12CH4的程度。而穩(wěn)定性碳同位素方法則是通過(guò)測(cè)定CH4氧化過(guò)程中δ13C值的變化，來(lái)計(jì)算CH4氧化率的（Zhang et al.，2015），這對(duì)估算全球CH4產(chǎn)生和排放具有重要意義。

迄今為止，很多學(xué)者研究了如垃圾填埋場(chǎng)、森林土壤、苔原土壤等的同位素分餾系數(shù) αox及其影響因素（De Visscher et al.，2004；Smemo et al.，2007；Templeton et al.，2006；Tyler et al.，1997；Tyler et al.，1994），但關(guān)于稻田土壤氧化同位素分餾系數(shù)αox的報(bào)道尚不多見(jiàn)。根據(jù)已有研究成果，CH4氧化同位素分餾存在季節(jié)變化，且受溫度、CH4氧化速率、甲烷氧化細(xì)菌、土壤水分和預(yù)處理方式等諸多因素的影響（Chanton et al.，2000；Coleman et al.，1981；Tyler et al.，1994；張曉艷等，2010b）。中國(guó)水稻種植面積大、分布廣，不同地區(qū)水稻種植具有各自鮮明的水肥管理特色，水稻生育期內(nèi)土壤溫度、土壤水分、CH4濃度等環(huán)境條件也有較大的差異，這些因素都可能影響稻田 CH4氧化及碳同位素分餾過(guò)程。為此，本文在全國(guó)選取了一些有代表性的水稻土，通過(guò)室內(nèi)好氧培養(yǎng)的方法，觀測(cè)了不同水分條件下、不同稻田土壤 CH4氧化潛力以及氧化過(guò)程中的同位素分餾效應(yīng)，旨在探明稻田 CH4氧化過(guò)程和同位素分餾系數(shù)αox與土壤環(huán)境條件之間的關(guān)系，以期為定量研究 CH4氧化提供重要參數(shù)，為準(zhǔn)確估算中國(guó)稻田的CH4排放量和稻田CH4調(diào)控減排提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試土壤來(lái)源及其環(huán)境特點(diǎn)

表1　采樣點(diǎn)地理位置及氣候條件Table 1　Location， climate， precipitation and tempaerature for the sample sites

圖1　采樣點(diǎn)位置分布Fig. 1　Locations of the samples

本文稻田土壤分別采自遼寧沈陽(yáng)、四川資陽(yáng)、廣東雷州、湖南桃源、江西鷹潭和浙江嘉興，具體位置如圖1所示。采樣點(diǎn)地理位置、氣候、降水和氣溫等信息如表1所示。其中四川土壤取自四川省資陽(yáng)市松濤鎮(zhèn)的響水村流域，屬于北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，平均海拔 395 m，平均年降水量 965.8 mm，一年中降水分配極不均勻，5—10月期間的降水量約占全年總降水量的 80%，年平均氣溫16.8 ℃。遼寧稻田土壤采自遼寧省沈陽(yáng)市沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土壤肥力長(zhǎng)期定位試驗(yàn)站，氣候?qū)倥瘻貛?，水分條件半濕潤(rùn)，為溫帶季風(fēng)氣候，當(dāng)?shù)厝杲邓吭?80 mm，年平均氣溫8.3 ℃。湖南的土壤于2011 年1月取自湖南省常德市桃源縣漳江鎮(zhèn)寶洞峪村，屬中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，四季分明，干濕兩季明顯，當(dāng)?shù)啬昶骄邓繛?448 mm，年平均相對(duì)濕度為82%，年平均氣溫為16.5 ℃。浙江的土壤樣品取自浙江省嘉興市南湖區(qū)余新鎮(zhèn)，地處北亞熱帶南緣，屬東亞季風(fēng)區(qū)，冬夏季風(fēng)交替，四季分明，當(dāng)?shù)啬昶骄邓?169 mm，年平均氣溫15.9 ℃。江西的土壤取自江西省鷹潭市南京土壤所鷹潭站，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，當(dāng)?shù)啬昶骄邓繛?1774 mm，年平均氣溫為18.1 ℃。廣東的土壤取自廣東省雷州市英利鎮(zhèn)，屬于熱帶海洋性季風(fēng)氣候，當(dāng)?shù)啬昶骄邓?712 mm，年平均氣溫22 ℃。以上采樣地點(diǎn)除沈陽(yáng)為單季稻田外，其余皆為雙季稻。另外，所有土樣均于水稻生長(zhǎng)旺盛的6月份（2012年）采集，并于同塊稻田采集3個(gè)耕層（0～20 cm）重復(fù)樣品備用。

1.2好氧培養(yǎng)試驗(yàn)

取50 g土樣于三角瓶中，分別加入去離子水調(diào)節(jié)土壤含水量至85% WHC（土壤持水量）和1∶1水土質(zhì)量比（質(zhì)量含水量），密封瓶口。加入一定量高純 CH4，調(diào)節(jié)至 CH4初始體積分?jǐn)?shù)為 10000 μL·L-1。其中85% WHC放入培養(yǎng)箱黑暗預(yù)培養(yǎng)，而1∶1水土質(zhì)量比處理放入振蕩培養(yǎng)箱（120 rpm）預(yù)培養(yǎng)1周。結(jié)束后打開(kāi)瓶塞，使之與外界通氣1晚后再次密封，并注入高純 CH4至體積分?jǐn)?shù)為10000 μL·L-1，放入恒溫培養(yǎng)箱黑暗培養(yǎng)30 min后測(cè)定瓶?jī)?nèi)CH4體積分?jǐn)?shù)和δ13CH4，分別記為初始CH4體積分?jǐn)?shù)和初始δ13C值。之后每隔一定時(shí)間取樣測(cè)定 CH4體積分?jǐn)?shù)和 δ13CH4，取樣頻率取決于CH4降低情況。CH4體積分?jǐn)?shù)分析一般為1天1～2次，δ13CH4樣品一般在試驗(yàn)開(kāi)始和CH4體積分?jǐn)?shù)降至前一取樣值的一半時(shí)取樣。其中，CH4體積分?jǐn)?shù)用裝有氫火焰離子檢測(cè)器（FID）的島津氣相色譜（Shimadzu GC-12A，Kyoto，Japan）測(cè)定；CH4穩(wěn)定性碳同位素組成用帶有全自動(dòng)預(yù)氣相色譜（GC）濃縮接口（PreCon）的Thermo Finnigan MAT-253同位素質(zhì)譜儀測(cè)定。

1.3土壤理化性質(zhì)分析

本文所測(cè)定的土壤理化性質(zhì)指標(biāo)包括NH4+-N、NO3--N、土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）、土壤pH、土壤有機(jī)碳、全氮、活性鐵、鋁、錳和土壤持水量（WHC）等，其測(cè)定方法如表2所示。

表2　土壤理化性質(zhì)指標(biāo)及其測(cè)定方法Table 2　Soil physiochemical parameters and their measurements

1.4數(shù)據(jù)分析

本文CH4氧化潛力由以下公式計(jì)算：

式（1）中，P為CH4氧化潛力，μg·g-1·d-1；dc/dt為培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)氣相 CH4體積分?jǐn)?shù)單位時(shí)間的變化，μL·L-1·d-1；VH為培養(yǎng)瓶?jī)?nèi)上部空間的體積，L；Ws為干土重量，g；MW為CH4的摩爾質(zhì)量，g；MV為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下摩爾體積，L；T為培養(yǎng)溫度，K。

碳同位素分餾系數(shù) αox采用以下公式計(jì)算（Coleman et al.，1981）：

式（2）中，δCt=0是開(kāi)始培養(yǎng)時(shí)CH4的δ13C；δCt是培養(yǎng)一定時(shí)間（t）后剩余CH4的δ13C；f是培養(yǎng)時(shí)間（t）時(shí)剩余CH4占外加總CH4量的比值。

另外，本文中的數(shù)據(jù)分析，包括相關(guān)分析、回歸分析、方差分析及標(biāo)準(zhǔn)偏差等均采用統(tǒng)計(jì)軟件SPSS 15.0 for Windows（SPSS Inc.，Chicago）和Microsoft Excel 2013完成。

2　結(jié)果與分析

2.1不同土壤的基本性質(zhì)

由于樣地位置空間跨度較大，成土母質(zhì)各不相同，溫度、降雨等氣候條件也差異較大，另外田間管理，包括施肥量、耕作方式等也不一致，供試土壤理化性質(zhì)有較大差異，如表3所示?？梢?jiàn)，不同土壤中NO3

--N含量差異最大，變異系數(shù)為112.2%；其次為活性錳，變異系數(shù)為67.6%；再次為全碳、NH4+-N、活性鐵等，變異系數(shù)為50%左右；變異最小為土壤 pH，除了四川土樣外（7.9左右），其余各土樣均呈弱酸性，平均為 5.52，變異系數(shù)為18.1%。

2.2不同稻田土壤的CH4氧化潛力及CH4氧化碳同位素分餾系數(shù)

不同稻田土壤好氧培養(yǎng)條件下CH4濃度變化如圖2所示，氧化潛力如圖3所示。不同土壤的CH4的氧化過(guò)程線有明顯差異（圖2），其中四川資陽(yáng)和湖南寶洞峪土壤氧化速率較慢。從氧化潛力來(lái)看，在85% WHC的土壤含水量下，沈陽(yáng)、嘉興、鷹潭和雷州土壤氧化潛力較高，分別為32.6、54.6、50.2 和53.2 μg·g-1·d-1，資陽(yáng)以及寶洞峪的土壤CH4的氧化潛力相對(duì)較低，分別為9.4和5.9 μg·g-1·d-1，平均僅為雷州等土壤的1/6。當(dāng)水土質(zhì)量比為1∶1時(shí)，資陽(yáng)以及南寶洞峪的土壤CH4氧化潛力相對(duì)85% WHC有所提高，而廣東雷州土壤 CH4的氧化潛力下降，不同土壤之間 CH4氧化潛力的差異也有所降低。另外，比較可知，除資陽(yáng)以及寶洞峪的土壤外，其他土壤85% WHC含水量時(shí)CH4氧化潛力高于水土質(zhì)量比為1∶1時(shí)的氧化潛力。

表3　供試土壤基本理化性質(zhì)Table 3　The main properties for the soil samples

圖2　不同土壤的CH4氧化過(guò)程Fig. 2　Soil CH4oxidation process

圖3　不同水稻土壤CH4氧化潛力Fig. 3　Soil CH4oxidation potential for different paddy soils

兩種土壤水分條件下不同稻田土壤 αox如圖 4所示。在土壤含水率為85% WHC時(shí)，6種土壤的αox平均值為1.026，而1∶1水土質(zhì)量比時(shí)αox平均值為 1.013。但是，不同土壤之間也存在明顯差異，由圖4可見(jiàn)，在土壤含水率為85% WHC時(shí)αox明顯高于1∶1水土質(zhì)量比時(shí)αox，且在水土質(zhì)量比為1∶1時(shí)，不同土壤αox變化較大?？傮w上講，土壤水分升高導(dǎo)致 αox下降，但不同土壤之間的下降程度不一，其中資陽(yáng)土壤在水分增高時(shí) αox下降幅度最大，從1.023下降至1.006，而沈陽(yáng)、寶洞峪、嘉興、鷹潭和雷州土壤分別降低0.007、0.005、0.014 和0.012。另外，相關(guān)分析結(jié)果表明，土壤αox與土壤CH4氧化速率呈顯著負(fù)相關(guān)，其中85% WHC和1∶1水土質(zhì)量比時(shí)相關(guān)系數(shù)分別為-0.85（P=0.032）和-0.82（P=0.047）。

圖4　不同土壤CH4氧化的碳同位素分餾系數(shù)αoxFig. 4　CH4oxidation carbon isotope fractionation factor αoxfor different paddy soil

2.3土壤CH4氧化潛力和αox的影響因子分析

不同條件下 CH4氧化潛力、αox和土壤基本性質(zhì)的關(guān)系分析結(jié)果如表4所示?？芍?，在85% WHC條件下，土壤CH4氧化潛力與土壤中活性鐵和全碳含量呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.86（P=0.042，n=6）和-0.87（P=0.038，n=6），而與其他因子相關(guān)性較弱。在1∶1水土質(zhì)量比條件下，土壤CH4氧化潛力主要與土壤活性鐵呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù) r 為0.90（P=0.035，n=6）。與CH4氧化潛力相似，在85% WHC時(shí)，αox與土壤活性鐵含量呈顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r為-0.92（P=0.026，n=6），而在1∶1水土質(zhì)量比條件下，αox與土壤活性鐵和NH4+-N顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r分別為-0.92（P=0.025，n=6）和0.82（P=0.049，n=6）。

表4　CH4氧化潛力與土壤基本性質(zhì)的相關(guān)關(guān)系Table 4　The relationship between the CH4oxidation potential and soil properties

3　討論

稻田甲烷排放是大氣溫室氣體的主要來(lái)源之一。事實(shí)上，稻田CH4排放是土壤中CH4產(chǎn)生、氧化和傳輸?shù)慕Y(jié)果（蔡祖聰?shù)龋?999）。盡管稻田土壤整體以淹水還原條件為主，但在根土及土水界面也存在好氧區(qū)域，導(dǎo)致土壤中產(chǎn)生的CH4在排放至大氣前部分被土壤中甲烷氧化菌氧化（王明星等，1998；顏曉元等，1996）。CH4氧化是稻田 CH4排放的自然調(diào)節(jié)，對(duì)減少稻田CH4排放具有重要意義（蔡祖聰?shù)龋?999）。中國(guó)水稻種植分布十分廣泛，不同的氣候環(huán)境條件以及水肥管理措施，都將會(huì)影響到稻田CH4氧化及碳同位素分餾過(guò)程（Boeckx et al.，1997；Conrad et al.，1991；Ma et al.，2011；Nayak et al.，2007；Zhang et al.，2012；蔡祖聰?shù)龋?999；張曉艷等，2010）。因此，對(duì)比研究不同地區(qū)稻田甲烷氧化和同位素分餾規(guī)律，有助于進(jìn)一步認(rèn)識(shí)稻田甲烷氧化規(guī)律，也可為稻田溫室氣體減排調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)。本文以全國(guó)主要水稻產(chǎn)區(qū)（四川、湖南、江西、浙江、廣東和遼寧）典型稻田土壤作為供試土壤，研究了不同地區(qū)稻田土壤的CH4氧化過(guò)程，探討了 CH4氧化碳同位素分餾系數(shù) αox及其影響因素。

結(jié)果表明，土壤含水量對(duì) CH4氧化潛力以及CH4氧化碳同位素分餾系數(shù) αox均有較大的影響。對(duì)于氧化潛力而言，在土壤含水率為85% WHC含水量時(shí)，土壤CH4氧化潛力一般高于水土質(zhì)量比為1∶1時(shí)的氧化潛力。而對(duì)于氧化碳同位素分餾系數(shù)αox則相反，隨著土壤水分升高αox下降，這個(gè)結(jié)果和Tyler et al.（1994）的研究結(jié)果是一致的。但是，不同土壤之間的下降程度也不盡相同，主要原因是αox還受到其他因素影響，如甲烷氧化菌的數(shù)量、種類等，從而導(dǎo)致不同土壤 αox值對(duì)水分變化響應(yīng)有所不同（Coleman et al.，1981；Templeton et al.，2006）。總體上看，當(dāng)土壤含水率為85% WHC時(shí)，6種土壤的CH4氧化碳同位素分餾系數(shù)αox平均值為1.026，而1∶1水土質(zhì)量比時(shí)αox平均值為1.013，這和其他研究得出的結(jié)果接近（Coleman et al.，1981；Reeburgh et al.，1997；Snover et al.，2000）。

同時(shí)，土壤αox與土壤CH4氧化速率呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），其中85% WHC和1∶1水土質(zhì)量比時(shí)兩者相關(guān)系數(shù)分別為-0.85（P=0.032）和-0.82 （P=0.047）。由此可見(jiàn)，氧化速率是αox變化的主要因素之一。事實(shí)上，氧化速率和甲烷菌群數(shù)量是密切相關(guān)的，在一定條件下，甲烷氧化菌數(shù)量越大，氧化速率也越大，反之則亦然。Templeton et al. （2006）發(fā)現(xiàn)細(xì)胞數(shù)量較低時(shí)αox大于1.030，而細(xì)胞數(shù)量較高會(huì)導(dǎo)致αox值低至1.003，這也是氧化速率高導(dǎo)致 αox值低的主要內(nèi)在機(jī)制之一。另外，αox值與培養(yǎng)溫度的關(guān)系也可進(jìn)一步說(shuō)明其中原因。很多研究結(jié)果表明，溫度升高導(dǎo)致αox值下降（Borjesson et al.，2001；Tyler et al.，1994），這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)導(dǎo)致甲烷氧化菌活性升高從而降低甲烷氧化菌對(duì)12CH4和13CH4的選擇性所致。土壤含水量對(duì)αox影響的深層次原因也是改變了CH4氧化速率，從而改變甲烷氧化菌對(duì)12CH4和13CH4的選擇性。

另外，CH4氧化潛力（正相關(guān)）、αox（負(fù)相關(guān)）和土壤中活性鐵含量有顯著相關(guān)關(guān)系（表4）。土壤中活性鐵是CH4氧化的重要因子之一。土壤中活性鐵含量與土壤氧化還原性質(zhì)密切相關(guān)，活性鐵屬于易氧化成分，較高含量的活性鐵表明厭氧環(huán)境較明顯，而CH4氧化一般需要好氧環(huán)境，這兩者之間存在一定的矛盾。分析其原因，活性鐵的存在可能作為一種激勵(lì)元素，可促進(jìn)甲烷氧化菌的活性，從而一方面導(dǎo)致其 CH4氧化潛力升高，而另一方面則降低其對(duì)12CH4和13CH4的選擇性，使得αox下降。當(dāng)然，CH4氧化潛力及碳同位素分餾的直接因素仍是CH4氧化菌的生物學(xué)機(jī)制，包括其種類、數(shù)量以及CH4氧化的生化機(jī)理等。但是，土壤條件及其他外部環(huán)境因素是微生物生長(zhǎng)、生活和繁衍的限制性因素，為間接性因素，也是人為調(diào)控稻田 CH4排放和氧化的重要切入點(diǎn)，這些都需要進(jìn)一步的深入研究。

4　結(jié)論

土壤水分狀況對(duì) CH4氧化和同位素分餾系數(shù)αox值有顯著的影響，但在不同土壤條件下有所差異。當(dāng)土壤土壤含水量為85% WHC（土壤持水量）時(shí)，四川資陽(yáng)以及湖南寶洞峪土壤CH4的氧化潛力相對(duì)較低，當(dāng)土壤含水量升高時(shí)，土壤CH4氧化潛力基本降低。而對(duì)于CH4氧化碳同位素分餾系數(shù)則相反，隨著土壤含水量升高，αox下降，但不同土壤條件下降幅度有一定差異，其中四川資陽(yáng)土壤降幅最大。同時(shí)，αox與 CH4氧化潛力呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。另外，不論水分條件如何，CH4氧化潛力和碳同位素分餾系數(shù) αox分別與土壤活性鐵呈顯著正相關(guān)和負(fù)相關(guān)（P＜0.05），說(shuō)明土壤活性鐵是影響水稻土CH4氧化潛力和碳同位素分餾的重要因素，但其中機(jī)制尚需進(jìn)一步研究。

ASADIEH B， KRAKAUER N Y. 2015. Global trends in extreme precipitation: climate models versus observations ［J］. Hydrology and Earth System Sciences， 19（2）: 877-891.

BOECKX P， VANCLEEMPUT O， VILLARALVO I. 1997. Methane oxidation in soils with different textures and land use ［J］. Nutrient Cycling in Agroecosystems， 49（1-3）: 91-95.

BORJESSON G， CHANTON J， SVENSSON B H. 2001. Methane oxidation in two Swedish landfill covers measured with carbon-13 to carbon-12 isotope ratios ［J］. Journal of Environmental Quality， 30（2）: 369-376.

CAI W J， BORLACE S， LENGAIGNE M， et al. 2014. Increasing frequency of extreme El Nino events due to greenhouse warming ［J］. Nature Climate Change， 4（2）: 111-116.

CHANTON J， LIPTAY K. 2000. Seasonal variation in methane oxidation in a landfill cover soil as determined by an in situ stable isotope technique ［J］. Global Biogeochemical Cycles， 14（1）: 51-60.

COLEMAN D D， RISATTI J B， SCHOELL M. 1981. Fractionation of Carbon and Hydrogen Isotopes by Methane-Oxidizing Bacteria ［J］. ，45（7）: 1033-1037.

CONRAD R， ROTHFUSS F. 1991. Methane Oxidation in the Soil Surface-Layer of a Flooded Rice Field and the Effect of Ammonium ［J］. Biology and Fertility of Soils， 12（1）: 28-32.

DE VISSCHER A， DE POURCQ I， CHANTON J. 2004. Isotope fractionation effects by diffusion and methane oxidation in landfill cover soils ［J］. Journal of Geophysical Research Atmospheres，109（D18111）.

EASTERLING D R， EVANS J L， GROISMAN P Y， et al. 2000. Observed variability and trends in extreme climate events: A brief review ［J］. Bulletin of the American Meteorological Society， 81（3）: 417-425.

IRRI. 2004. Ricestat database， Los Ba?os， Philippines［R］. http://www.irri.org/science/ricestat/index.asp.

IPCC. 2007. Climate Change 2007: The physical science basis. Contribution of working group I to the fourth assessment report of the Intergrovernmental Panel on Climate Change ［M］. Cambridge: Cambridge University Press.

MA K， LU Y H. 2011. Regulation of microbial methane production and oxidation by intermittent drainage in rice field soil ［J］. Fems Microbiology Ecology， 75（3）: 446-456.

NASER H M， NAGATA O， TAMURA S， et al. 2007. Methane emissions from five paddy fields with different amounts of rice straw application in central Hokkaido， Japan ［J］. Soil Science Plant Nutrition， 53（1）: 95-101.

REEBURGH W S， HIRSCH A I， SANSONE F J， et al. 1997. Carbon kinetic isotope effect accompanying microbial oxidation of methane in boreal forest soils ［J］. Geochimica Et Cosmochimica Acta， 61（22）: 4761-4767.

SHI X M， DURRAN D R. 2015. Estimating the Response of ExtremePrecipitation over Midlatitude Mountains to Global Warming ［J］. Journal of Climate， 28（10）: 4246-4262.

SMEMO K A， YAVITT J B. 2007. Evidence for anaerobic CH4 oxidation in freshwater peatlands ［J］. Geomicrobiology of Journal， 24（7-8）: 583-597.

SNOVER A K， QUAY P D. 2000. Hydrogen and carbon kinetic isotope effects during soil uptake of atmospheric methane ［J］. Global Biogeochemical Cycles， 14（1）: 25-39.

TEMPLETON A S， CHU K H， ALVAREZ-COHEN L， et al. 2006. Variable carbon isotope fractionation expressed by aerobic CH4-oxidizing bacteria ［J］. Geochimica Et Cosmochimica Acta， 70（7）: 1739-1752.

TYLER S C， BILEK R S， SASS R L， et al. 1997. Methane oxidation and pathways of production in a Texas paddy field deduced from measurements of flux， delta C-13， and delta D of CH4［J］. Global Biogeochemical Cycles， 11（3）: 323-348.

TYLER S C， CRILL P M， BRAILSFORD G W. 1994. C-13/C-12 Fractionation of Methane during Oxidation in a Temperate Forested Soil ［J］. Geochimica Et Cosmochimica Acta， 58（6）: 1625-1633.

YAN X Y， HIROKO A， KAZUYUKI Y， et al. 2009. Global estimations of the inventory and mitigation potential of methane emissions from rice cultivation conducted using the 2006 Intergovernmental Panel on Climate Change Guidelines ［J］. Global Biogeochemical Cycles， 23（2）: 627-634.

ZHANG G B， YU H Y， FAN X F， et al. 2015. Effect of rice straw application on stable carbon isotopes， methanogenic pathway， and fraction of CH4oxidized in a continuously flooded rice field in winter season ［J］. Soil Biology & Biochemistry， 84: 75-82.

ZHANG X Y， ZHANG G B， JI Y， et al. 2012. Straw Application Altered CH4Emission， Concentration and13C-Isotopic Signature of Dissolved CH4in a Rice Field ［J］. Pedosphere， 22（1）: 13-21.

蔡祖聰， MOSIER A R. 1999. 土壤水分狀況對(duì)CH4氧化、N2O和CO2排放的影響［J］. 土壤， 31（6）: 289-294， 298.

王明星， 李晶， 鄭循華. 1998. 稻田甲烷排放及產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化、輸送機(jī)理［J］.大氣科學(xué)， 22（4）: 600-612.

顏曉元， 蔡祖聰. 1996. 土壤對(duì)甲烷氧化作用的研究進(jìn)展［J］. 農(nóng)村生態(tài)環(huán)境， 12（2）: 33-38.

張曉艷， 馬二登， 張廣斌， 等. 2010a. 麥季稻稈施用對(duì)后續(xù)稻季 CH4產(chǎn)生氧化及排放的影響［J］. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)， 29（9）: 1827-1833.

張曉艷， 馬靜， 李小平， 等. 2012. 稻田甲烷傳輸?shù)难芯窟M(jìn)展［J］. 土壤，44（2）: 181-187.

張曉艷， 張廣斌， 紀(jì)洋， 等. 2010b. 冬季淹水稻田CH4產(chǎn)生、氧化和排放規(guī)律及其影響因素研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 19（11）: 2540-2545.

CH4Oxidation Isotope Fractionation and the Influences in Rice Fields in Different Regions in China

ZHANG Xiaoyan1， XU Hua2， MA Jing2， LIU Meixian3， 4
1. Hunan First Normal University， Changsha 410205， China；2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture， lnstitute of Soil Science， Chinese Academy of Sciences， Nanjing 210008， China；3. Key Laboratory for Agro-ecological Processes in Subtropical Region， Institute of Subtropical Agriculture，
Chinese Academy of Sciences， Changsha 410125， China；4. Huanjiang Observation and Research Station for Karst Ecosystem， Chinese Academy of Sciences， Huanjiang 547100， China

CH4oxiddation is the natural regulation of CH4emission in paddy soil. However， the CH4oxiddation is influenced by many factors. Furthermore， rice planting is widely distributed in China， the differences in the environmental factors （such as the climate） and the field managements， should have impacts on the CH4oxiddation processes and the stable carbon isotope fractionation of CH4oxiddation. Hence， studies on the CH4oxiddation and stable carbon isotope fractionation in paddy soils in different area， and clarify the main influences， are crucial for environmental protection and the global warming， and helpful to improve our knowledge in the principle of CH4oxiddation in paddy soils. Trough aerobic incubations and stable carbon isotope method， this study investigated the CH4oxidation potential， CH4oxidation isotope fractionation and the influencing factors in the paddy soils， which differed dramatically in soil biochemical properties. These soil samples were collected from 6 major rice-producing regions of China，including the Ziyang city in Sichuan， Taoyuan city in Hunan， Yingtan city in Jiangxi， Jiaxing city in Zhejiang， Shenyang city in Liaoning and Leizhou city in Guangdong. Results showed that the CH4oxidation potential for the soil from Ziyang （Sichuan） and Baodongyu （Hunan） were generally lower （about 1/6） than that for the other four soils. At the same time， the CH4oxidation （13C）isotope fractionation factor （αox） differed apparently， and was significantly and negatively correlated to the CH4oxidation potential，with the correlation being -0.85 and -0.81 when the soil water was 85% WHC and was 1∶1 soil water ratio， respectively. Moreover，the correlation analysis showed that， the CH4oxidation potential was significantly and positively correlated to the concentration of soil active iron， with the r being 0.86 （P = 0.042） and 0.90 （P = 0.035） when the soil water was 85% WHC （85% of the soil water holding capacity） and soil-water ratio was 1∶1， respectively. Whereas， the αox was significantly and nagetively correlated to the active iron，and the r were -0.92 （P = 0.026） when the soil water was 85%WHC （85% of the soil water holding capacity） and was 1∶1 soil-water ratio. The results indicated that the soil water content and the concentration of soil active iron were the key factors of CH4oxiddation and stable carbon （13C） isotope fractionation in paddy soils. However， the underlying mechanisms need be further study.

paddy soil； CH4emission； CH4oxidation； isotope fractionation

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.06.003

S15； X132

A

1674-5906（2016）06-0927-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41601262）；土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（Y20160037）

張曉艷（1986年生），女，講師，博士，主要從事全球變化與生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)研究。E-mail: hnfnuxyzhang@sina.com

，E-mail: daodang2008@sina.com

2015-12-28