树木茎干大气甲烷氧化：一个与茎呼吸耦合的次要呼吸过程及其全球意义

《Trees》：A minor respiratory process with major global implications: is atmospheric methane oxidation in tree stems driven by stem respiration rather than microbial methanotrophy?

本研究针对树木茎干是否主动吸收大气甲烷（CH4）这一争议问题，通过动态茎室系统实时监测加州樱桃树茎干的CH4与O2通量。结果表明，茎干CH4吸收与O2吸入紧密耦合，仅占呼吸消耗的0.012%，且温度敏感性随日间升温而下降。这一发现挑战了“微生物主导陆地CH4吸收”的传统认知，提示植物组织可能通过未知机制参与CH4氧化，为全球甲烷收支模型修订提供新视角。

　　

甲烷（CH₄）是仅次于二氧化碳（CO₂）的第二大温室气体，其全球收支估算存在高达25%的不确定性。传统观点认为，树木茎干仅是土壤甲烷的被动传输通道，而近期研究提出茎干可能主动吸收大气甲烷，但机制未明。由于缺乏高频实时通量数据，茎干甲烷吸收与树木生理活动的关联始终成谜。发表于《Trees》的这项研究，通过创新技术首次揭示了茎干甲烷氧化与呼吸作用的动态耦合规律，为理解陆地甲烷循环开辟了新路径。

研究团队在加州伯克利选取一棵成熟加州樱桃树（Prunus avium），在其主干0.5米、0.7米和1.0米高度安装3个动态茎室，结合腔衰荡光谱（CRDS）技术，以10分钟为间隔连续监测茎干对CH₄和O₂的净吸收通量。系统通过质量流量控制器维持恒定的环境空气流速（100 mL/min），并交替采样茎室出口气体与环境空气，有效规避了环境浓度波动对通量计算的干扰。

方法：实时同步监测茎呼吸与甲烷吸收

研究采用3D打印茎室与并联CRDS分析仪的组合，首次实现茎干O₂与CH₄通量的同步高频监测。如图1所示，系统通过六通阀循环采样三个茎室及对应环境空气，直接量化茎干呼吸（O₂吸入）与CH₄氧化的实时关联。

茎干CH₄与O₂吸收的昼夜动态

4浓度对比'>

监测数据显示，环境CH₄浓度呈现昼低夜高的昼夜波动（图2），而茎室出口CH₄浓度持续低于环境值，尤其在白天差异显著，证实茎干为大气CH₄的净汇。清晨气温上升时，茎干O₂吸入急剧增加，CH₄吸收同步攀升；但随日间温度持续升高，两者通量均下降（图3）。这种协同变化模式暗示CH₄氧化可能受植物生理活动调控，而非单纯依赖微生物代谢。

温度敏感性与机制线索

4与O₂通量及温度时序图'>

CH₄与O₂吸收的温度敏感性随温度上升而减弱（图4），与微生物甲烷氧化随温度指数增强的典型规律相反。进一步分析显示，CH₄吸收与O₂吸入呈线性相关（R²=0.50），每消耗1 μmol O₂伴随0.12 nmol CH₄吸收（图5），但CH₄氧化仅占呼吸总量的0.012%。这种量级差异说明其虽是次要过程，却与主干代谢紧密耦合。

微生物与植物贡献的博弈

4与O₂通量的温度响应'>

尽管既往研究将茎干CH₄吸收归因于附着于树皮的II型甲烷营养菌（如 serine cycle 途径），本研究提出植物自身可能通过氧化C1途径参与：植物虽缺乏甲烷单加氧酶（MMO），但具备将甲醇（CH₃OH）、甲醛（CH₂O）氧化为CO₂的酶系（如类III过氧化物酶）。图6展示了微生物与植物潜在CH₄氧化路径的竞争与互补假设。

结论与展望

本研究通过高分辨率通量监测，证实树木茎干是以呼吸驱动的次要大气CH₄汇。CH₄吸收与O₂消耗的耦合模式、反常规的温度响应以及微弱的代谢占比（0.012%），共同指向一种尚未明确的植物主导氧化机制。这一发现挑战了微生物独占陆地CH₄氧化的范式，提示未来需结合同位素标记（如¹³CH₄）与分子生物学技术，解析植物-微生物互作在全球CH₄收支中的真实权重。