大氣CO2 濃度緩增對稻田土壤甲烷氧化過程的影響*

劉 心，沈李東，田茂輝，楊王挺，金靖昊，王昊宇，胡正華

（南京信息工程大學(xué)生態(tài)系，南京 210044）

甲烷（CH）是僅次于二氧化碳（CO）的長壽命溫室氣體，對全球溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)率約為17%。甲烷在100 年尺度的全球增溫潛勢是等質(zhì)量CO的28 倍。自工業(yè)革命以來，大氣中甲烷濃度增加了150%，其排放量仍以每年1.0%的速度在遞增。稻田是重要的甲烷排放源之一，其每年甲烷排放量約占全球排放總量的10%～20%。微生物介導(dǎo)的甲烷好氧氧化被認(rèn)為是控制稻田甲烷排放的重要途徑，可氧化產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生的40%～90%的甲烷。

根據(jù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能及系統(tǒng)進(jìn)化發(fā)育關(guān)系，甲烷氧化菌可分為三大類。第一類包括Ⅰ型和Ⅹ型甲烷氧化菌，屬于變形菌綱，主要有甲基桿菌（）、甲基球菌（、甲基單胞菌（）、甲基微菌（）和甲基八疊球菌（）等10 個屬。第二類為II 型甲烷氧化菌，屬于變形菌綱，主要包括甲基彎曲菌（）和甲基包囊菌（）等5個屬。 第三類甲烷氧化菌屬于疣微菌門（Verrucomicrobia），主要由嗜熱嗜酸菌組成。有研究發(fā)現(xiàn)，稻田土壤中甲烷氧化菌的主要類型是II 型菌。但也有研究表明，I 型菌主要分布在水稻的根際和水土交界面的表層土壤中，而II 型菌則更適應(yīng)低氧環(huán)境，其在下層缺氧區(qū)占優(yōu)勢地位。

CO作為最重要的溫室氣體，對氣候變暖的貢獻(xiàn)最大。氣候模型預(yù)測表明，至21 世紀(jì)末大氣中CO濃度可能會翻一番。大氣CO濃度升高會極大地影響陸地生態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)和功能。在水稻不同生長期，土壤環(huán)境因子會發(fā)生改變，并與大氣CO協(xié)同作用后對土壤甲烷氧化過程產(chǎn)生影響。土壤中的CO濃度是大氣中的10 倍～15 倍，因此大氣CO濃度升高幾百μL·L很難直接改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。但有證據(jù)表明，高濃度的CO能夠促進(jìn)植物生長發(fā)育，并通過增加植物向土壤的碳輸入以及改變其他相關(guān)土壤理化性質(zhì)（如氮素水平、氧氣含量）等影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和活性?？梢?，大氣CO濃度升高可能會對稻田甲烷氧化菌的活性、豐度和群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生間接影響，進(jìn)而改變稻田甲烷排放量。有研究表明，較高的大氣CO濃度會使土壤中甲烷的氧化量減少，進(jìn)一步加劇氣候變化。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度升高能夠促進(jìn)稻田土壤甲烷氧化菌的生長。因此，當(dāng)前關(guān)于大氣CO濃度升高對稻田甲烷氧化過程的影響結(jié)論仍存在爭議，其影響機(jī)理尚不明確。

大氣CO濃度是長時間緩慢增加的過程，而不是短期內(nèi)增至某一濃度后固定不變。目前尚少見CO濃度緩增對土壤甲烷氧化菌影響的相關(guān)研究。本研究在背景CO濃度基礎(chǔ)上設(shè)置了CO濃度緩增處理，更加真實地模擬大氣CO濃度升高的情境。此外，高通量測序方法（如Illumina MiSeq）在研究土壤微生物群落中更具有優(yōu)勢，能夠?qū)ξ⑸锶郝涮卣魈峁└娴慕忉?。然而該方法較少應(yīng)用于研究稻田土壤甲烷氧化菌群落的動態(tài)變化。本研究采用Illumina MiSeq 測序技術(shù)以及定量PCR 等手段，從基因、群落、活性等多個層次上解析CO濃度緩增對稻田土壤甲烷好氧氧化過程的影響及其作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)設(shè)置在江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實驗室的稻田試驗地（32.16 °N，118.86 °E），屬亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年平均降水量1 100 mm，多年平均氣溫15.6 ℃。供試土壤為潴育型水稻土，灰馬肝土屬，耕層土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土。供試水稻品種為南粳9108，全生育期為149～153 d。稻田土壤的氮肥年施用量為250 kg·hm。水分管理方式為生育前期淹水、中期烤田、后期干濕交替。

1.2 土壤樣品采集與分析

本研究依托于開頂氣室（Open Top Chambers，OTC）組成的CO濃度升高自動調(diào)控平臺，該平臺于2016 年建成并運(yùn)行，包括OTC、CO傳感器、自動控制系統(tǒng)及通氣裝置。每個OTC 內(nèi)配置CO傳感器（GMM222 傳感器，芬蘭）及溫濕度自動記錄儀。通過計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)OTC內(nèi)CO濃度的自動監(jiān)測和調(diào)節(jié)，以確保OTC 內(nèi)CO濃度維持在目標(biāo)濃度值。CO氣源為高純CO鋼瓶。

以大氣CO濃度為對照（Ambient CO，AC），設(shè)置CO濃度緩增處理（Elevated CO，EC），每個處理各3 個重復(fù)。EC 處理為在背景CO濃度基礎(chǔ)上，自2016 年起每年增加40 μL·L。于2019 年采集水稻4 個關(guān)鍵生育期即：分蘗期、拔節(jié)期、揚(yáng)花期和乳熟期0～5 cm 的根際土壤。該年EC 處理的CO濃度為AC+160 μL·L。采用烘干法測定土壤含水率；以玻璃電極法測定土壤pH；以比色法測定土壤無機(jī)氮（ NH-N、NO-N和NO-N）；土壤有機(jī)質(zhì)含量的測定方法參考《土壤農(nóng)化分析》。

1.3 甲烷氧化潛勢測定

取約3 g 新鮮土樣置于12 mL 玻璃瓶（Labco，英國）中，并向瓶內(nèi)加入5 mL 去離子水后，用橡膠塞密封。隨后，用純甲烷進(jìn)行等體積置換，使甲烷含量占比約10%（體積比）。將玻璃瓶置于搖床以35 ℃，120 r·min振蕩培養(yǎng)。期間，每隔12 h 用50% ZnCl溶液終止一批反應(yīng)，直至最后一批樣品于第72 h 培養(yǎng)結(jié)束。用氣相色譜儀（Agilent 7890B，美國）測定玻璃瓶中頂空甲烷濃度。最后，根據(jù)甲烷濃度隨時間減少進(jìn)行線性擬合，計算甲烷氧化潛勢。

1.4 DNA 提取和PCR 擴(kuò)增

根據(jù) Power Soil DNA Isolation kit 試劑盒（MoBio，美國）說明書對不同處理下稻田土壤樣品的總DNA 進(jìn)行抽提。DNA 濃度和純度利用超微量分光光度計（NanoDrop2000，美國）進(jìn)行測定，并利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA 提取質(zhì)量。利用特 異 性 引 物 A189F （5′-GGNGACTGGGACTTC TGG-3′）和mb661R（5′-CCGGMGCAACGTCYTTAC C-3′）對甲烷氧化菌基因進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。擴(kuò)增程序如下：95 ℃預(yù)變性3 min；95 ℃變性30 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，30 個循環(huán)；最后以72 ℃延伸10 min。PCR 反應(yīng)體系為20 μL：4 μL 5×astPfu 緩沖液，2 μL 2.5 mmol·LdNTPs，0.8 μL正 向 引 物（ 5 μmol·L）， 0.8 μL 反 向 引 物（5 μmol·L），0.4 μL FastPfu 聚合酶，0.2 μL BSA（牛血清蛋白），以及10 ng DNA 模板。

1.5 Illumina Miseq 測序

利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit（Axygen Biosciences，USA）進(jìn)行 PCR 產(chǎn)物純化；利用QuantiFluor?-ST（Promega，USA）進(jìn)行產(chǎn)物檢測定量。根據(jù)Illumina MiSeq 平臺（Illumina，USA）標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程將純化后的擴(kuò)增片段構(gòu)建PE 2×300的文庫（上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司）。

當(dāng)前，數(shù)字管理已深入人心。大數(shù)據(jù)的價值不僅在于其原始價值，更在于數(shù)據(jù)的連接、擴(kuò)展、再利用和重組，如何將大數(shù)據(jù)的相關(guān)性特征更好地應(yīng)用于房地產(chǎn)估價行業(yè)和機(jī)構(gòu)管理，離不開智慧管理。從行業(yè)來看，行政管理部門和行業(yè)協(xié)會可通過房地產(chǎn)估價大數(shù)據(jù)監(jiān)管模型、信用信息共享交換平臺、網(wǎng)絡(luò)新聞評論數(shù)據(jù)庫等智慧管理手段實現(xiàn)行業(yè)監(jiān)管。從機(jī)構(gòu)來看，在市場數(shù)據(jù)庫、估價實務(wù)知識庫、估價基礎(chǔ)知識庫和網(wǎng)絡(luò)管理大平臺的數(shù)字化建設(shè)基礎(chǔ)上，還要對高級管理者特殊才能、高級技能人員經(jīng)驗、組織慣例與本能、產(chǎn)業(yè)鏈適應(yīng)性資源、產(chǎn)品品牌價值等智慧資源進(jìn)行系統(tǒng)管理，以實現(xiàn)機(jī)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展［7—8］。

1.6 序列分析

原始序列使用 Trimmomatic 軟件質(zhì)控，以FLASH 軟件進(jìn)行拼接，具體步驟如下：（1）設(shè)置50 bp 的窗口，若窗口內(nèi)的平均質(zhì)量值低于20，從窗口前端位置截去該堿基后端所有序列，之后再去除質(zhì)控后長度低于50 bp 的序列；（2）根據(jù)重疊堿基overlap 將兩端序列進(jìn)行拼接（最大錯配率為0.2，長度需大于 10 bp）；（3）根據(jù)序列首尾兩端的barcode 和引物將序列拆分至每個樣本并精確匹配。使 用 UPARSE 軟 件（ version 7.1 http ：//drive5.com/uparse/）以 86%的相似度對序列進(jìn)行OTU 聚類，同時去除單序列和嵌合體。最終通過對比數(shù)據(jù)庫，利用 RDP classifier（http：//rdp.cme.msu.edu/）對每條序列進(jìn)行物種分類注釋。甲烷氧化菌的基因序列已上傳至美國國家生物技術(shù)信息中心（National Center of Biotechnology Information，NCBI），序列登錄號為PRJNA612131。

1.7 定量PCR

使用特異性引物A189F 和mb661R，通過定量PCR（quantitative PCR，qPCR）測定甲烷氧化菌基因的豐度（PCR 反應(yīng)體系和反應(yīng)條件參見1.4 部分）。利用質(zhì)粒標(biāo)準(zhǔn)樣品稀釋7 個濃度梯度，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到每個樣品的基因拷貝數(shù)（每個樣品3 個重復(fù)）。

1.8 數(shù)據(jù)處理

采用美吉生物云平臺對測序數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。使用SPSS 25.0 軟件的檢驗分析不同處理間各指標(biāo)（甲烷氧化活性、甲烷氧化菌數(shù)量、多樣性等）的差異及其顯著性。使用SPSS 25.0 軟件對各理化指標(biāo)和微生物指標(biāo)之間的關(guān)系進(jìn)行 Pearson 相關(guān)性分析。

2 結(jié) 果

2.1 大氣CO2 濃度緩增對稻田土壤理化因子的影響

不同CO濃度處理下各生育期稻田土壤的理化性質(zhì)見表1。結(jié)果顯示，在不同CO濃度處理下，四個關(guān)鍵生育期的土壤含水率和pH 在較小的范圍內(nèi)波動。在分蘗期，AC 和EC 處理下土壤中DOC含量未見明顯變化，但EC 處理下土壤中 NH-N、NO-N和NO-N含量均顯著低于AC 處理。在拔節(jié)期，EC 處理的NO-N含量顯著高于（＜ 0.05）AC處理，而其他土壤理化因子未見有顯著變化。在揚(yáng)花期，與AC 相比，EC 處理的土壤有機(jī)碳與DOC含量顯著提高（＜ 0.05），但 NH-N 和NO-N含量顯著降低（＜ 0.05）。在乳熟期，EC 處理下土壤中DOC 含量較AC 有所增加，但未達(dá)到顯著性水平。

表1 不同CO2 濃度處理下各生育期稻田土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physiochemical properties of paddy soils during different rice growth stages under different CO2 treatments

2.2 大氣CO2 濃度緩增對稻田土壤甲烷氧化潛勢及甲烷氧化菌豐度的影響

土壤泥漿培養(yǎng)試驗結(jié)果顯示，該稻田土壤的甲烷氧化潛勢在分蘗期達(dá)到最高值，并隨著水稻的生長，甲烷氧化潛勢呈下降趨勢（圖1a）。除分蘗期外，EC 處理促進(jìn)了土壤甲烷氧化潛勢，且在拔節(jié)期和乳熟期達(dá)到顯著性水平（＜ 0.05）。分蘗期的土壤甲烷氧化潛勢隨CO濃度的升高顯著降低（＜0.05）。綜合每個生育期的數(shù)據(jù)，EC 處理使得稻田整體甲烷氧化潛勢增加11.7%。

圖1 不同CO2 濃度處理下各生育期稻田土壤的甲烷氧化潛勢（a）及甲烷氧化菌pmoA 基因豐度（b）Fig. 1 Potential activity (a) and pmoA gene abundance (b) of methanotrophs in paddy soils during different rice growth stages under different CO2 treatments

2.3 大氣CO2 濃度緩增對稻田土壤甲烷氧化菌pmoA 基因多樣性的影響

利用OTU 水平上的Sobs 指數(shù)、香農(nóng)指數(shù)和Chao 1 指數(shù)，評估不同CO濃度處理下土壤中甲烷氧化菌豐富度和多樣性的變化。數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，單個樣品中OTU 數(shù)介于40～189 之間。所有樣品OTU 的稀釋曲線均接近飽和狀態(tài)，表明本研究的測序深度足以描述甲烷氧化菌基因的多樣性。研究發(fā)現(xiàn)，各時期的甲烷氧化菌基因多樣性隨大氣CO濃度升高呈降低趨勢。其中在乳熟期，EC 處理下土壤中甲烷氧化菌的多樣性顯著低于（＜ 0.05）AC 處理。但在其他三個生育期，不同處理下土壤中基因多樣性差異不顯著（圖2）。

圖2 不同CO2 濃度處理下各生育期稻田土壤中pmoA 基因的Sobs 指數(shù)（a）和香農(nóng)指數(shù)（b）Fig. 2 The Sobs index（a）and Shannon index（b）of pmoA genes in paddy soils during different rice growth stages under different CO2 treatments

2.4 大氣CO2 濃度緩增對稻田土壤甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)的影響

以屬為水平對不同CO濃度處理下稻田土壤中甲烷氧化菌的群落組成進(jìn)行分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)已知菌屬主要包括Ⅰ型的甲基八疊球菌（）、甲 基 單 胞 菌（）、 甲 基 球 菌（、甲基桿菌（）和Ⅱ型的甲基包囊菌（）（圖3）。在AC 處理下，土壤中Ⅰ型甲烷氧化菌占比37.23%，Ⅱ型菌占比39.95%；在EC 處理下，Ⅰ型占比50.2%，高于占比30.43%的Ⅱ型菌。因此，大氣CO濃度升高改變了甲烷氧化菌的優(yōu)勢菌群，使得Ⅱ型菌占比明顯提高。甲基包囊菌屬、甲基八疊球菌屬和甲基單胞菌屬始終是該稻田土壤中的優(yōu)勢菌屬。在AC 處理下，土壤中這三類優(yōu)勢甲烷氧化菌屬的相對豐度分別為39.95%、17.86%和8.69%；而在EC 處理下，這三種菌屬的相對豐度則分別為 30.43%、20.62%和18.77%。此外，土壤中還存在甲基球菌和甲基桿菌，以及其他未被分類的菌屬，但其相對豐度較低（圖3）。

圖3 不同CO2 濃度處理下各生育期稻田土壤甲烷氧化菌的群落組成Fig. 3 Community composition of methanotrophs in paddy soils during different rice growth stages under different CO2 treatments

對不同CO處理下土壤中甲烷氧化菌群落組成進(jìn)行組間差異顯著性檢驗（圖4 a），發(fā)現(xiàn)某些環(huán)境序列和未被分類的菌屬的相對豐度存在顯著性差異（＜ 0.05）。但在乳熟期，EC 處理下使得甲基單胞菌的相對豐度顯著高于（＜ 0.05）AC 處理，而甲基包囊菌的相對豐度則顯著低于（＜ 0.05）AC 處理（圖4b）。總體而言，甲烷氧化菌群落在兩種CO濃度處理間，存在顯著差異（圖5，= 0.039）。

圖4 不同CO2濃度處理下稻田土壤中甲烷氧化菌在屬水平上的總體群落結(jié)構(gòu)差異（a）以及在和乳熟期的群落結(jié)構(gòu)差異（b）Fig. 4 Variation of methanotrophic community composition at genus level in paddy soils during rice growth period（a）and at milky stage（b）under different CO2 treatments

2.5 影響稻田甲烷氧化菌群落及其活性的主要環(huán)境因子

RDA 結(jié)果顯示，土壤pH 和NO-N 含量對甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)有顯著影響（＜ 0.05）（圖5）。不同CO濃度處理下土壤的甲烷氧化潛勢和基因豐度與DOC 含量、NH-N 含量呈正相關(guān)，而甲烷氧化潛勢又與pH 呈負(fù)相關(guān)，但均未達(dá)到顯著性水平（表2）。本研究未發(fā)現(xiàn)單一的環(huán)境因子對甲烷氧化潛勢和基因豐度、多樣性的變化有顯著影響。此外，甲烷氧化潛勢和基因多樣性存在顯著正相關(guān)（＜ 0.05）。

圖5 不同CO2 濃度處理下稻田土壤中甲烷氧化菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子關(guān)系的RDA 圖Fig. 5 Redundancy analysis（RDA）ordination plots showing the relationship between the community structures of methanotrophs and environmental factors in paddy soils under different CO2 treatments

3 討 論

甲烷是甲烷氧化菌唯一的碳源和能源。據(jù)報道，土壤中甲烷濃度是影響稻田甲烷氧化潛勢和甲烷氧化菌群落的重要因素。大量研究表明，土壤中甲烷氧化速率隨甲烷濃度的升高而增加。大氣CO濃度升高會促進(jìn)稻田中甲烷的產(chǎn)生量。這主要是由于CO濃度升高刺激了水稻的生長發(fā)育，增加了其根系生物量和分泌物，導(dǎo)致向土壤中釋放更多的含碳物質(zhì)。這給產(chǎn)甲烷菌提供了更多的底物來源。本研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度緩增增加了某些生長期稻田根際土壤甲烷氧化菌的豐度以及甲烷氧化潛勢（圖1）。相關(guān)性分析顯示，甲烷氧化潛勢和基因豐度均與DOC 含量呈正相關(guān)關(guān)系（表2）。這說明大氣CO濃度升高間接導(dǎo)致土壤DOC 含量增加，使產(chǎn)甲烷潛勢增強(qiáng)，進(jìn)而給甲烷氧化菌提供了更多底物甲烷來源。土壤中相對較高濃度的甲烷有利于甲烷氧化潛勢和甲烷氧化菌豐度的增加。

表2 不同CO2 濃度處理下稻田土壤的甲烷氧化潛勢及pmoA 基因豐度、多樣性與環(huán)境因子的相關(guān)性Table 2 Potential correlations between the potential activity of methanotrophs，pmoA gene diversity and abundance and different environmental factors in paddy soils under different CO2 treatments

與此同時，氧氣的可獲得性是甲烷氧化的重要限制因子。大氣CO濃度升高可使水稻根系的通氣組織愈加發(fā)達(dá)，繼而增加大氣向水稻根際O的輸送。這在一定程度上可以提高水稻根際的甲烷氧化潛勢。早期，王義琴等利用微根窗技術(shù)對植物進(jìn)行觀測，發(fā)現(xiàn)在大氣CO濃度倍增條件下，植物的根長和根數(shù)量與自然環(huán)境生長的植物相比，分別增加了16%和34%。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在揚(yáng)花期和乳熟期的土壤中，甲烷氧化菌豐度與同時期的甲烷氧化潛勢呈相同的變化趨勢：均隨大氣CO濃度的升高而顯著增加（＜ 0.05）（圖1）。該結(jié)果很可能是由于在水稻生長的中后期，大氣CO濃度升高下水稻根系生長更加發(fā)達(dá)，使得根際區(qū)域O含量增加，從而刺激了甲烷氧化菌的生長與活性。先前的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度升高會促進(jìn)稻田土壤甲烷氧化菌活性及其基因豐度的增加。然而也有研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度升高會增強(qiáng)葉片的水分利用效率，使得土壤水分增加，進(jìn)而通過影響土壤中O擴(kuò)散速率抑制甲烷氧化活性。但這種情況多發(fā)生于森林、草地等生態(tài)系統(tǒng)中。稻田土壤長時間處于淹水條件，水分較為充足。大氣CO濃度升高所引起的土壤含水量的微小增加，可能不足以改變稻田中的氣體擴(kuò)散速率。本研究中稻田表層土壤的含水率較高，且并未隨CO濃度升高發(fā)生明顯改變（表1）。

氮素含量是影響稻田甲烷氧化的另一重要環(huán)境因子。本研究發(fā)現(xiàn)，大氣CO濃度升高導(dǎo)致了土壤中 NH-N 和NO-N含量的減少（表1）。有研究表明，通過長達(dá)15 年的CO富集試驗，大氣CO濃度升高會造成稻田生態(tài)系統(tǒng)中 NH-N 的大量損失，這可能是由于 NH的厭氧氧化和鐵的還原增強(qiáng)所致。土壤中 NH-N 的減少還可能與作物根系生長對銨態(tài)氮的吸收增強(qiáng)有關(guān)。同時，大氣CO濃度升高會降低土壤NO-N的積累，這是因為稻田根系生物量和分泌物的增加促進(jìn)了反硝化活性的增強(qiáng)。稻田土壤中較高濃度的 NH會通過增加硝化作用來抑制甲烷氧化菌的生長及活性。Adamsen 和King在土壤培養(yǎng)實驗中發(fā)現(xiàn)，較高濃度的NO-N也會抑制土壤甲烷氧化活性。但其抑制作用的機(jī)理尚不明確，可能是由于NO本身或通過NO還原產(chǎn)生NO對甲烷氧化菌的毒害作用。通常情況下，稻田土壤的本底 NH-N 含量較高（氮肥施用所致）。為此，本研究中大氣CO濃度升高所致土壤 NH-N 和NO-N積累的減少，可能有助于緩解氮素對稻田甲烷氧化的抑制作用。

隨著大氣CO濃度的升高，甲烷氧化菌的優(yōu)勢菌群發(fā)生了改變：從Ⅱ型菌（相對豐度為39.95%）轉(zhuǎn)變?yōu)棰裥途鷮伲ㄏ鄬ωS度為50.2%）。因此，大氣CO濃度升高促使了土壤中Ⅱ型菌向Ⅰ型菌的演替。AC處理的優(yōu)勢菌屬為甲基包囊菌（Ⅱ型）、甲基八疊球菌和甲基單胞菌（均為Ⅰ型）（圖3）。這與先前稻田土壤中甲烷氧化菌的主要類型是Ⅱ型菌的結(jié)果一致。據(jù)報道，甲基彎曲菌和甲基包囊菌（均為Ⅱ型）的相對豐度會隨大氣CO濃度升高而降低。研究表明，在高 NH條件下，甲基孢囊菌（Ⅱ型）的競爭力高于Ⅰ型菌。大氣CO濃度升高所導(dǎo)致NH-N 含量的減少，很可能削弱了甲基孢囊菌的競爭力，使其豐度下降（圖4 a）。除氮素含量外，稻田土壤中的O濃度和營養(yǎng)條件的變化亦可能會改變甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)。以往的研究表明，Ⅰ型菌在高氧和營養(yǎng)充足的環(huán)境中有較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢，而Ⅱ型菌更適應(yīng)在低氧和寡營養(yǎng)的環(huán)境下生長。如前所述，大氣CO濃度升高會促進(jìn)水稻根系分泌物和通氣組織容積的增加，這為Ⅰ型菌的生長提供了更為合適的生存環(huán)境。

4 結(jié) 論

大氣CO濃度緩增促進(jìn)了稻田土壤甲烷氧化潛勢的增加，以及甲烷氧化菌的生長。同時，大氣CO濃度升高顯著改變了土壤中甲烷氧化菌的群落結(jié)構(gòu)，使得優(yōu)勢菌屬由起初的Ⅱ型菌轉(zhuǎn)變?yōu)棰裥途?。大氣CO濃度升高會促進(jìn)作物的生長，導(dǎo)致稻田土壤中甲烷濃度和根際環(huán)境通氣性的增加，并調(diào)節(jié)土壤中的氮素水平。以上多個環(huán)境因子的綜合作用很可能是稻田甲烷氧化潛勢、甲烷氧化菌豐度與群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的重要原因。