土壤水分与温度交互作用下垃圾填埋场覆盖土CH4消耗及CO2排放：封闭顶空批量培养与扩散-反应模型研究

《Frontiers in Environmental Science》：Methane consumption by a landfill cover soil under variable soil moisture and temperature conditions

　　

垃圾填埋场是最大的甲烷（CH₄）人为排放源之一，垃圾填埋场覆盖土中CH₄排放热点能够富集将CH₄氧化为二氧化碳（CO₂）的微生物。CH₄氧化速率受土壤水分和温度等多种变量调控，但这些因子对CH₄氧化速率的交互影响尚未得到充分研究。在此，研究人员使用来自加拿大安大略省某前垃圾填埋场的覆盖土进行封闭顶空批量培养，以测定与土壤水分和温度联合变化相关的CH₄消耗和CO₂排放速率变化。土壤样品在5种土壤水分含量（20%、40%、60%、80%和100%水填充孔隙空间；%WFPS）与4种温度（1、15、25和35 °C）的全因子设计下培养。在每个温度和水分组合下，通过多次连续注射将CH₄加入顶空，并测量顶空CH₄和CO₂浓度以计算CH₄消耗和CO₂排放速率。最大CH₄消耗速率出现在中等土壤水分和温度条件下（60% WFPS和25 °C时为330 ± 12.3 nmol h^-1 g DW^-1），而最大CO₂排放速率出现在实验的最大WFPS和温度条件下（100% WFPS和35 °C时为652 ± 85.0 nmol h^-1 g DW^-1）。研究人员将扩散-反应模型（diffusion-reaction model）拟合到观测数据，以表征温度和土壤水分对CH₄消耗和CO₂排放速率的影响。该模型预测出与观测到的CH₄消耗和CO₂排放速率相似的最优条件。建模和实验结果表明，CH₄消耗最优土壤水分的主导控制因素是微生物活动的水分限制与气体（CH₄和氧气）扩散之间的交互作用，而对于CO₂排放，主导控制因素是气体（氧气）扩散的水分限制与溶质迁移性之间的交互作用。这些结果为土壤水分和温度的季节性变化如何影响垃圾填埋场覆盖土及其他环境中的CH₄氧化速率，并因此影响净CH₄排放提供了见解。

研究背景方面，垃圾填埋场通过有机废物厌氧分解产生CH₄，其可通过覆盖土扩散至大气，局部CH₄排放热点可富集甲烷氧化菌（methanotrophs，能够将CH₄氧化为CO₂的微生物）。微生物CH₄氧化被认为是减少垃圾填埋场CH₄排放的重要生物途径，并受土壤水分、温度、CH₄浓度等因素影响。已有研究多独立考察土壤水分和温度对CH₄氧化活性的影响，报道的最优土壤水分多在10%–35%，最优温度多在30–36 °C，温度敏感性Q₁₀（温度系数，表示温度升高10 °C反应速率增加的倍数）范围约为1.7–8.4。然而，土壤水分与温度同时对垃圾填埋场覆盖土CH₄氧化的影响仍研究不足，已有少数研究强调二者紧密关联，需要理解其联合效应。因此，研究人员开展控制温度和土壤水分的土壤培养，模拟季节性动态和气候变化下的水分与温度变化，评估CH₄消耗和CO₂排放，并计算Q₁₀、建立扩散-反应模型。

在关键技术方法上，研究人员采集加拿大安大略省南部某前市政垃圾填埋场（现为城市公园）覆盖土0–10 cm样品。实验采用5个土壤水分水平（20%、40%、60%、80%和100% WFPS）和4个温度水平（1、15、25和35 °C）的全因子封闭顶空批量培养；对每个处理进行多次连续CH₄注射，并用气相色谱测定顶空CH₄和CO₂浓度，计算CH₄消耗和CO₂排放速率；设置“土壤、无CH₄”和非生物对照；计算Q₁₀；建立扩散-反应模型并用COMSOL Multiphysics?求解；测定孔隙水pH、溶解有机碳（DOC）和溶解无机碳（DIC）。

研究结果部分：
3.1 CH₄消耗速率：通过不同水分和温度组合的封闭顶空培养，研究人员发现最大平均CH₄消耗速率为330 ± 12.3 nmol h^-1 g DW^-1，出现在60% WFPS和25 °C。60% WFPS在各温度下均最高，CH₄消耗通常在25 °C最高（20% WFPS除外），15 °C也有相近消耗，尤其在40%–80% WFPS。20% WFPS下不同温度差异约27%，80% WFPS下温度效应更明显，差异约125%。消耗速率随水分或温度升高至最优后下降。多次注射后CH₄消耗速率无清晰模式，但20% WFPS、1 °C下第1次注射较高，之后降低并在第2–5次注射保持恒定。
3.2 CO₂排放速率：通过相同培养的气体测定，最大平均CO₂排放速率为652 ± 85.0 nmol h^-1 g DW^-1，出现在100% WFPS和35 °C。CO₂排放在15 °C和25 °C下于80% WFPS最高，在1 °C下于40% WFPS最高，在35 °C下于100% WFPS最高。除20% WFPS外，CO₂排放随温度升高至35 °C逐渐增加。多数条件下CO₂排放量低于CH₄消耗量，但100% WFPS和35 °C除外。多次注射后CO₂排放变化不大，但20% WFPS所有温度及1 °C多数水分下第1次注射较高。
3.3 模型模拟结果：研究人员将扩散-反应模型拟合观测数据，CH₄消耗模拟与实验水分模式相似，R²为0.71；模型在1 °C低估CH₄消耗，其他温度总体一致。模拟最大CH₄消耗出现在60% WFPS和24 °C，与实验的60% WFPS和25 °C一致。CO₂排放实验与模型R²为0.59，排除100% WFPS和35 °C后为0.83；该高温高湿条件下实验通量远高于模型。总体多数模型结果与实验模式相似，高温高湿偏差最大。
3.4 温度敏感性结果（Q₁₀）：通过计算Q₁₀，CH₄消耗最高Q₁₀为80% WFPS下的2.57，最低为20% WFPS下的1.17；CO₂排放Q₁₀略高，最高为100% WFPS下的2.58，最低为20% WFPS下的1.11。除最低水分20% WFPS外，多数Q₁₀接近2。CH₄消耗和CO₂排放最高Q₁₀均出现在与各自速率最优条件相近的水分。
3.5 孔隙水地球化学与碳质量平衡：通过测定实验结束时的孔隙水，研究人员发现80% WFPS、25 °C和100% WFPS、25 °C处理中DIC质量高于初始土壤（分别为12.2和11.0 μmol，初始为9.8 μmol），DOC质量也更高（分别为80.3和77.6 μmol，初始为51.1 μmol）。孔隙水pH初始为7.4，结束处理分别为7.3和7.5。比较DIC变化、顶空CO₂和CH₄质量表明，两个处理中顶空加孔隙水无机碳（CO₂加DIC）产量之和在CH₄消耗质量的10%以内或更高。所有处理中，当CO₂排放速率低于CH₄消耗速率时，CO₂产生速率与CH₄消耗速率之比为0.21–0.90。

讨论部分总结：4.1 最优土壤水分和温度方面，研究人员认为60% WFPS高于文献报道的10%–35%，原因在于该水分下微生物活动有足够水分，同时仍保留足够未饱和孔隙用于气体交换；25 °C为最优温度，低于垃圾填埋场常见30–36 °C，但1–40 °C仍可观测CH₄消耗。Q₁₀总体低于其他文献，接近生物过程典型值2，可能与前垃圾填埋场土壤甲烷氧化菌群落或实验中较低CH₄浓度有关。4.2 CO₂排放最优条件方面，最大CO₂排放在100% WFPS和35 °C，研究人员认为可能由高温下土壤有机质厌氧降解导致；其他温度下100% WFPS时CO₂排放下降，显示中等条件更优。CO₂排放最优温度为35 °C，其Q₁₀略高于CH₄消耗，说明该过程在多数水分下温度敏感性更强，可能由甲烷氧化菌以外的其他微生物群驱动。4.3 CH₄消耗与CO₂排放比方面，CH₄氧化化学计量为1 mol CH₄消耗对应1 mol CO₂产生，但本研究中20个水分温度组合中有16个CH₄消耗超过CO₂排放。非生物对照中CH₄浓度稳定并随注射累积，“土壤、无CH₄”对照中CO₂排放远低于实验瓶，支持CO₂排放来自CH₄氧化。较低CO₂排放可能由于CO₂在孔隙中积累、以DIC形式溶解于孔隙水，或参与生物质同化；短时间培养下同化可能性低。DIC增加、DOC增加和近中性pH支持溶解与呼吸贡献。顶空加孔隙水无机碳产量超过CH₄消耗，说明氧化CH₄消耗和有机碳呼吸共同产生无机碳。低水分更利于CO₂在孔隙积累，高水分更利于CO₂溶解为DIC。4.4 模型局限性方面，该扩散-反应模型以CH₄氧化为重点，厌氧过程仅用葡萄糖发酵表示，未包括进一步厌氧矿化途径；模型采用均质有效孔隙介质，未显式解析土壤结构异质性，也未显式模拟CO₂-DIC平衡分配；这些简化导致模型在100% WFPS和35 °C下低估CO₂排放。未来需加入更多厌氧矿化途径、显式CO₂相分配和参数不确定性敏感性分析。

研究结论翻译：本研究评估了土壤水分和温度变化对来自前垃圾填埋场CH₄排放热点覆盖土中CH₄消耗速率的联合影响。最大CH₄消耗速率出现在中等土壤水分和温度条件下（60% WFPS和25 °C时为330 ± 12.3 nmol h^-1 g DW^-1），CO₂排放出现在较高土壤水分和温度条件下（100% WFPS和35 °C时为652 ± 85.0 nmol h^-1 g DW^-1）。总体而言，这些结果强调土壤水分和温度是调控微生物CH₄氧化消耗的两个重要因素，观测到的净CH₄消耗是土壤中不同传输和微生物反应过程相互作用的结果。不同的最优条件突出不同微生物群负责各种过程，导致观测到的通量。结果进一步得到温度敏感性分析（Q₁₀）和扩散-反应模型的支持。实验结果结合模型模拟，为微生物CH₄氧化的最优条件提供了见解。这些结果可进一步用于更大尺度垃圾填埋场覆盖土CH₄氧化建模和垃圾填埋场覆盖土的实际设计。