浅层喀斯特湖泊中多时间尺度甲烷通量动态的环境与微生物调控机制

本研究基于涡度协方差法、碳稳定同位素及宏基因组测序，对喀斯特浅水湖Caohai湖13个月的甲烷动态及环境驱动机制进行研究。结果显示，该湖为大气甲烷净排放源，平均排放量2.07±1.20 mmol·m⁻²·d⁻¹，秋季峰值（3.63±0.5 mmol·m⁻²·d⁻¹），主因水温、水位及电导率变化，其中乙酸型产甲烷占主导，优势菌群Methanothrix占比65%，δ¹³C-CH₄值1.041±0.002，凸显理化与微生物协同解析对喀斯特甲烷排放评估的关键作用。

范宝香|彭海军|冉敬成|姚虎|罗伟军|洪冰

中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，中国贵阳

摘要

湖泊日益被认为是甲烷（CH₄）排放的热点区域，然而，对于全年各季节甲烷通量的高频（每小时尺度）测量及其背后的环境控制机制仍缺乏清晰的认识。本文基于涡度协方差（EC）技术、稳定碳同位素分析以及宏基因组测序方法，探讨了喀斯特浅水湖泊生态系统中甲烷通量的动态及其水文和生物地球化学机制。我们为期13个月的EC监测显示，该湖泊是大气中甲烷的来源，平均排放率为2.07 ± 1.20 mmol CH₄ m⁻² d⁻¹，其中秋季的排放量最高（3.63 ± 0.5 mmol m⁻² d⁻¹），是冬季的两倍多。甲烷通量的季节性变化主要受水温、水位和电导率的影响。温度升高促进了甲烷生成，水位变化改变了氧化还原梯度从而影响甲烷生成菌的活性，而电导率则调节了有利于乙酸裂解型甲烷生成菌的基质可用性。在昼夜尺度上，夜间甲烷排放量高于白天，这种日变化主要受水温控制，水温升高促进了甲烷生成而抑制了氧化作用。这些环境因素对甲烷通量的调控与甲烷生成菌群落的结构一致，并支持了乙酸裂解型甲烷生成途径的主导地位。研究发现，甲烷菌（Methanothrix）是这种富含碳酸盐的碱性喀斯特湖泊中占主导地位的甲烷生成微生物（约65%）。此外，该湖泊中甲烷生成的主要途径是乙酸裂解型甲烷生成，δ¹³C-CH₄的表观分馏因子为1.041 ± 0.002。我们强调将物理化学变异性与微生物功能潜力相结合对于深入理解富含碳酸盐的喀斯特系统中的生物地球化学反馈过程以及提高甲烷排放量估算的准确性至关重要。

引言

尽管湖泊仅覆盖地球表面的0.5%，但它们贡献了内陆水体总甲烷（CH₄）排放量的约44%，年排放量估计为41.6 Tg CH₄（Rosentreter等人，2021年）。随着气候变暖的加剧，这一贡献预计还会增加（Yvon-Durocher等人，2017年；Zhu等人，2020年）。浅水湖泊的平均深度小于3米，占据了全球内陆水体最大的表面积（Sun等人，2022年；Verpoorter等人，2014年；Yuan等人，2024年），其变暖速度比大气和海洋快36%（Davidson等人，2015年）。研究表明，全球超过70%的湖泊属于浅水湖泊，其低水位降低了静水压力，限制了甲烷的氧化作用，加速了其向大气的释放（DelSontro等人，2019年；Radomski和Perleberg，2012年）。对744个湖泊的全球分析表明，湖泊深度起着关键作用，深度小于5米的湖泊贡献了超过84%的总甲烷排放量（Li等人，2020年）。在这些浅水湖泊中，喀斯特浅水湖泊具有高pH值和高溶解无机碳（DIC）的特点，这些特性进一步影响了甲烷的产生和排放动态（Li等人，2020年；Zhang等人，2023年）。了解喀斯特浅水湖泊中的甲烷排放动态对于揭示其在温室气体排放中的独特生物地球化学作用以及改进区域和全球甲烷预算估算至关重要（Yu等人，2019年）。

喀斯特湖泊由石灰岩和白云岩等碳酸盐岩的溶解形成，其特征是高碱度、动态的地下水交换以及独特的喀斯特地貌（Yi等人，2022年；Yu等人，2019年）。这些独特特征促进了微生物活动并增强了甲烷的传输，使其成为甲烷排放的潜在热点（Xin等人，2025年；Zhang等人，2024b）。喀斯特浅水湖泊中的沉积物支持活跃的微生物代谢，甲烷通过有机碳的降解产生（Wang等人，2017年）。这种甲烷生成过程还受到地下水流（富含甲烷的还原水）和有机基质的持续供应、碳酸盐风化（增加无机碳和还原条件）以及水下大型水生植物的影响（Liao等人，2022年；Zhang等人，2024a；Zhang等人，2023年）。尽管对这些动态的认识日益增加，但大多数研究仍依赖于时间有限的甲烷排放观测，无法充分捕捉其时间变化或解析背后的微生物途径（甲烷生成和甲烷氧化过程）（Wallenius等人，2021年；Zhu等人，2021年）。特别是，虽然非喀斯特湖泊中氢营养型和乙酸裂解型甲烷生成过程已被广泛研究，但将这两种甲烷生成途径与喀斯特系统中的整体湖泊甲烷通量明确联系起来的研究仍然很少。这一知识空白限制了我们理解这些具有独特地球化学特征的生态系统中微生物甲烷生成活动如何调控甲烷排放的能力（Michel等人，2024年；Vargas-Sánchez等人，2022年）。为了更好地理解喀斯特浅水湖泊中的甲烷动态，将通量监测与微生物和地球化学分析相结合至关重要。这种综合方法对于预测这些喀斯特系统未来的甲烷排放趋势至关重要（Conrad等人，2020年）。

为了解决现有甲烷测量时间分辨率有限的问题以及甲烷生成途径与整体湖泊通量之间缺乏直接联系的问题，需要采用稳健的高分辨率观测方法（Bastviken等人，2011年；DelSontro等人，2019年）。目前有多种技术用于量化水-空气界面的甲烷通量，包括静态室方法（SCM）、薄边界层模型（TBLM）和微气象学方法（Knox等人，2019年；Liu等人，2020年）。其中，SCM方法劳动强度高，空间和时间分辨率有限，且常因忽略沸腾和湍流通量而低估甲烷排放量（Gregorio等人，2019年；Wik等人，2016年）。TBLM方法基于风驱动的交换系数（如K₆₀₀）估算气体通量，对风的变化敏感，在平静或高度动态条件下可能导致较大不确定性（MacIntyre等人，2010年；Thornton等人，2020年）。虽然这些方法提供了有价值的点测量数据，但往往无法解析甲烷排放的显著时间变化，尤其是在甲烷通量随时间快速变化的异质喀斯特环境中（Gnanamoorthy等人，2021年）。相比之下，涡度协方差（EC）方法是一种多功能的技术，能够在大范围内进行连续的高频测量（Knox等人，2019年；Thornton等人，2020年）。然而，全球范围内，大多数基于EC的甲烷研究集中在北美和西欧（Knox等人，2016年；Li等人，2023b；Valcke，2022年），亚热带和热带地区的数据仍存在较大缺口。在中国，尽管建立了ChinaFLUX项目，但基于EC的湖泊温室气体研究主要在非喀斯特系统中进行（Zhao等人，2025年），且主要集中在CO₂/H₂O通量上。相比之下，对喀斯特湖泊生态系统中甲烷动态的EC研究仍然非常有限（Du等人，2021年；Wang等人，2023年）。缺乏长期的高频甲烷通量观测数据阻碍了甲烷排放变化及其机制的准确评估（Yu等人，2019年）。

研究表明，水-空气界面的甲烷通量与甲烷生成途径和微生物群落组成密切相关，这些因素调节了甲烷生成速率，从而影响甲烷通量。这些关系可以通过宏基因组测序和稳定碳同位素分析有效表征（Evans等人，2019年；McCalley等人，2014年）。在淡水生态系统中，甲烷主要由甲烷生成古菌通过有机物的厌氧降解产生，由于硫酸盐和甲基化化合物的供应通常较低，氢营养型和乙酸裂解型途径占主导（Conrad，2005年；Li等人，2023a；Yang等人，2020年）。甲烷（δ¹³C-CH₄）和二氧化碳（δ¹³C-CO₂）的稳定碳同位素是区分这些途径和追踪甲烷来源和汇的有效工具（Conrad等人，2020年；Michel等人，2024年；Nisbet等人，2020年）。尽管最近取得了进展，但与非喀斯特系统相比，喀斯特浅水湖泊中的甲烷动态仍研究不足，关于通量、微生物群落和主导途径的数据有限（Yang等人，2023年）。这一差距阻碍了我们对甲烷过程及其驱动因素的理解，尤其是考虑到微生物活动占全球大气甲烷增加量的约85%（Tollefson，2022年），并且喀斯特沉积物中的甲烷生成古菌对环境变化非常敏感（Chen等人，2021年；Yakimovich等人，2020年）。因此，澄清这些途径并进行长期监测以及深入分析喀斯特浅水湖泊中的甲烷排放、相关环境因素和微生物群落至关重要（Conrad，2020年）。

在这里，我们使用涡度协方差方法进行了为期13个月的甲烷通量测量，并结合了甲烷（δ¹³C-CH₄）和二氧化碳（δ¹³C-CO₂）的碳同位素组成进行了宏基因组测序。我们的主要目标是：(a) 确定喀斯特浅水湖泊生态系统中水-空气界面甲烷通量的动态变化及其环境控制因素；(b) 明确喀斯特浅水湖泊中的主导甲烷生成途径及其与水-空气界面甲烷通量的关系；(c) 评估喀斯特浅水湖泊甲烷通量的区域意义及其对年度二氧化碳当量温室气体通量的贡献。

研究区域和采样

草海湖（CH）（26°47′32″-26°52′52″N, 104°10′16″-104°20′40″E）是一个典型的喀斯特高山湖泊生态系统，由喀斯特盆地中的积水形成。该湖泊位于中国西南部（图1），平均水深在1.5-2.5米之间（Xu和Zhi，2021年）。该湖泊处于亚热带湿润季风气候区，年平均温度和降水量分别为10.6°C和951毫米。大约88%的降水量发生在

水文条件和营养物质浓度

在草海湖中，HCO₃⁻和Ca²⁺分别占总阴离子的60%和总阳离子的54%（图S1）。结果表明，草海湖的主要水化学类型为HCO₃-Ca、HCO₃-SO₄-Ca和HCO₃-SO₄-Ca-Mg。平均总溶解固体（TDS）浓度为463.12 mg L⁻¹。此外，草海湖的TDS浓度在100-1000 mg L⁻¹之间，Cl⁻/(Cl⁻+HCO₃⁻)和Na⁺/(Na⁺+Ca²⁺)的摩尔比分别在0.09-0.19和0.15-0.27之间

甲烷通量的季节性和日变化及其驱动环境因素

与内陆浅水湖泊（82.34 g CH₄ m⁻² yr⁻¹）和深湖（5.26 g CH₄ m⁻² yr⁻¹）相比，草海湖的甲烷排放量较低（12.08 g CH₄ m⁻² yr⁻¹）（Loken等人，2019年；Palma-Silva等人，2013年）。浅水湖泊由于营养物质和生物易降解有机物的丰富而通常支持更高的甲烷产生（West等人，2015年；Zhang等人，2022年）。相比之下，深湖由于生产力较低和热分层作用，甲烷排放量较低（Pu等人，2020年）。

结论

我们结合了涡度协方差测量、稳定碳同位素分析和宏基因组测序，研究了喀斯特湖泊水-空气界面甲烷通量的季节性和日变化，并确定了驱动这些排放的主要甲烷生成途径。我们的结果证实，草海湖是大气甲烷的净来源，年排放量约为368 Mg CH₄ yr⁻¹，平均通量为2.07 ± 1.20 mmol m⁻² d⁻¹。甲烷通量在秋季达到峰值（3.63 ± 0.5 mmol m⁻² d⁻¹），主要是由于

作者贡献声明

范宝香：撰写 - 审稿与编辑，撰写 - 原稿，可视化，软件应用，方法学研究，数据分析，概念化。彭海军：撰写 - 审稿与编辑，可视化，方法学研究，数据分析，概念化。冉敬成：资源获取，调查研究。罗伟军：调查研究。姚虎：调查研究，方法学研究，数据管理。洪冰：撰写 - 审稿与编辑，验证，监督，资源协调，项目管理。

未引用的参考文献

Zemskaya等人，2021年；Hatala等人，2012年

作者贡献声明

范宝香：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件应用，方法学研究，数据分析，概念化。彭海军：撰写 – 审稿与编辑，可视化，方法学研究，数据分析，概念化。冉敬成：资源获取，调查研究。姚虎：方法学研究，数据管理。罗伟军：调查研究。洪冰：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源协调。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了环境地球化学国家重点实验室（SKLEG2024101）和中国国家自然科学基金（项目编号41907288）的支持。我们感谢中国科学院地球化学研究所的Anyun Cheng、贵州林业学院的Yanhui Liu和Mao Li以及Xu Zhang在构建湖泊观测平台方面提供的帮助。同时，我们也感谢贵州大学的Wanfa Wang在撰写本文时给予的帮助。