1立题依据及意义
1.1研究背景
在过去的几十年里，不同学科的研究人员对气候变化都已经进行研究，他们预测大气和海洋的温度增加主要由于如二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、水汽（H2O）、一氧化二氮（N2O）等温室气体的排放。自工业革命以来，由于人类的长期生产实践活动如燃烧化石燃料、森林砍伐、砍伐森林等，造成了大量的温室气体被排放，故而在过去很长一段时间里，全球气温升高，从而使得全球陆地生态系统的碳、氮储备量及碳氮的循环发生了变化（魏华，2018）。由于森林生态系统在陆地生态系统中为最为主要的组成部分，温室气体对森林生态系统的影响不容小觑。温室气体在大气层中的份额不足1%，其总浓度取决于源与汇的平衡结果，其中源是指某些化学或物理过程向大气排放CO2等温室气体；相反汇是令其减少（孙晓涵，2012）。在温室气体中，CO2、CH4和N2O被认为是最重要的温室气体。而CO2因排放量在温室气体中最多，因此为全球变暖做出了巨大的贡献。其次是CH4，CH4也是一种十分重要的温室气体，其在大气中的浓度接近二氧化碳的浓度，红外线吸收能力也是二氧化碳的20—30倍，在大气中平均存留时间也长达10年之久（庄静静，2016）。因此，甲烷在全球气候变暖中所起作用的相关的机制引起广泛关注。
甲烷与人类的生活密切相关，在地球表面的大气中，CH4是一种具有一定化学活性的温室气体，其含量约为1.8ppmv，参与了许多重要的大气化学过程（冉宇，2017）。而土壤是CO2和N2O主要来源，是甲烷的主要汇（魏华，2018）。一些研究表明，森林土壤中的甲烷的汇在最近几十年中有所增加。土壤中的甲烷被好氧甲烷氧化菌消耗并由厌氧产甲烷菌产生，因此其净通量被一系列影响扩散和土壤氧气条件的复杂因素所控制（Ni, X et al, 2018）。甲烷氧化菌是甲基营养菌的一个分支，它们用甲烷作为主要的能源物质。由于其能够将甲烷转化成二氧化碳，缓解温室效应，因而倍受关注。甲烷氧化菌在环境中分布极为广泛，包括一些极端环境，如温度低至4摄氏度或至72摄氏度，均发现甲烷氧化菌的踪影（蔡朝阳等，2016）。好氧甲烷氧化菌传统上都属于变形细菌门（Proteobacteria），根据细胞的内膜结构、磷脂脂肪酸成分和碳同化途径等将其分为Ⅰ型菌和Ⅱ型菌。Ⅰ型菌属gamma;—变形细菌利用5-磷酸核酮糖同化途径（RuMP），包括甲基杆菌（Methylobacter）、甲基球菌（Methylococcus）、甲基单胞菌（Methylomonas）等12个属；Ⅱ型菌属alpha;-变形细菌，利用丝氨酸（Serine）同化途径，包括甲基弯曲菌（Methylosinus）等4个属（张坚超等，2015）。产甲烷菌是一类极端厌氧的古细菌，属水生古细菌门。其生存条件需严格厌氧，如人类的消化系统、沼气反应器、湖泊或海底沉积物等环境中均有分布。产甲烷菌参与有机物厌氧降解的最后一步，以能量代谢的方式而产生的终产物主要为甲烷气体（王保玉等，2014）。当产甲烷菌进入缺氧环境后，有机物一般以以下三个步骤来进行分解：（1）水解作用，复杂有机物转变为单糖，并进一步反应形成脂肪酸、二氧化碳和H2；（2）脂肪酸在互营氧化细菌（Syntrophs）的作用下氧化生成醋酸、二氧化碳和H2；（3）醋酸、H2和二氧化碳分别被乙酸型和氢型产甲烷古菌利用产生甲烷。同型产乙酸细菌也可将H2/CO2转变成乙酸，并由乙酸型产甲烷古菌转变为甲烷（张坚超等，2015）。
森林是重要的陆地生态系统，通过将二氧化碳从大气圈中隔离开来，对于减轻温室效应至关重要。由于森林土壤具有很强的甲烷氧化能力，传统上，森林被认为是净甲烷汇（Feng, H., et al.2020）。在森林生态系统中，作为构建环境梯度的重要因素，土壤深度会影响细菌和古细菌群落结构的复杂性和多样性。土壤的垂直空间异质性驱使微生物选择性地寻找栖息地，导致细菌和古细菌在土壤深度上的多样性和相对丰度发生明显变化。细菌和古细菌的群落组成的变化与土壤理化特性与深度的变化之间存在显着的相关性。已有学者在杨树人工林的土壤剖面中观察到一些细菌和古细菌群落，这些微生物可能调节重要的土壤碳和氮过程。定义土壤细菌和古细菌的生物地理学，尤其是在更深的地区，可以提供洞察影响土壤生态系统的独特且潜在的重要过程。（Feng, H. et al.2019）。
1.2研究意义
随着全球温室效应的加剧，温室效应所导致的全球变暖不断地给我们的生活带来变化，在森林土壤中，甲烷这种温室气体受到了广泛的关注。森林土壤吸收甲烷的动态是影响大气甲烷浓度变化的重要影响因子，由此可知，研究森林土壤甲烷的变化特征及其源汇转换过程，可为林业应对变化行动提供理论依据（庄静静，2016）。由于目前对森林土壤中甲烷估算能力了解有限，由于研究方法、树种、土地利用方式等不同造成估计值有很大不确定性。而其中一个最主要的原因是：土壤甲烷的影响机制研究不深入。甲烷通量是甲烷产生、氧化和传输的综合结果，这个过程包含一系列的微生物、物理和化学活动（刘慧峰等，2014）。土壤中产甲烷菌和甲烷氧化菌两者的相对活性，从而共同作用改变着甲烷的排放情况（冉宇，2017）。目前的研究主要针对的是土壤理化性质对土壤甲烷通量影响的研究，而对土壤微生物的研究很少（庄静静，2016）。因此本次实验将将围绕森林土壤甲烷通量及微生物群落和功能变化特征展开研究，在微生物方面影响甲烷通量机制进行近一步深入了解。为森林生态系统应对气候变化行动提供参考数据，为进一步深入评价林业工程的生态效益提供科学依据。
2国内外研究现状
2.1甲烷在森林生态系统循环过程
在森林生态系统中，CH4流量可分为土壤和树木根据不同的排放途径（图1）。 CH4量全球森林土壤消耗量估计为17.7plusmn;12.9 Tg yr-1十年前和9.16plusmn;3.84 Tg yr-1在1981年至2010年之间。 而且，是最近报告指出，全世界森林土壤中的CH4吸收量在1988年至2015年之间的平均比例为77％，尤其是在森林中位于北纬0°至60°之间增长。 土壤对CH4的吸收主要取决于甲烷营养生物对CH4的氧化消耗以及土壤孔隙度等土壤物理因素的影响。 两个关键控制因素是气体通过最上层土壤的扩散速率和生物氧化速率（Feng, H. et al,2020）。
图1：森林生态系统中CH4动态的插图。 GC：气相色谱，EC：涡度协方差，REA：涡流累积轻松，FG：通量梯度。
2.2影响甲烷通量的因素
影响甲烷通量的因素多种多样，主要有水分、土壤温度、土壤还原电位（Eh）、土壤养分、土壤PH、森林中的干扰、土壤微生物等。
