生态学杂志 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (5): 1703-1712.doi: 10.13292/j.1000-4890.202605.017
韩佳旭,王欣楚*,李思亮
HAN Jiaxu, WANG Xinchu*, LI Siliang
摘要: 甲烷(CH4)作为重要的温室气体,在水体中的生成与排放机制深刻影响全球碳循环与气候变化。同位素技术是研究CH4的生成途径、排放机制及其环境效应的有效手段。本文系统综述了水体CH4的主要生成途径及同位素特征,重点解析了生物成因CH4代谢途径的多样性,包括乙酸发酵(δ13C约-50‰~-60‰)和二氧化碳还原产CH4(δ13C约-110‰~-60‰),揭示了微生物以不同方式参与复杂氧化还原环境下的CH4循环。其同位素分馏受产甲烷菌群落与底物可利用性调控,氧化和迁移转化等后期过程会导致明显的同位素分馏。水生生态系统中CH4排放过程(扩散、冒泡释放、植物传输)伴随显著同位素效应——扩散途径因水体中的氧化作用导致残留CH4富集13C(可达+15‰),而冒泡释放则优先保留亏损同位素信号。研究表明,水体环境的物理(如水温)、化学(如溶氧度)及生物因素(微生物群落组成和表达等)对CH4的生成和排放过程产生了重要影响,驱动CH4同位素组成的时间和空间异质性。因此,在水生体系中其同位素特征能很好地反演CH4来源与转化过程。此外,团簇同位素和微生物分析方法等的协同应用,可实现同位素联用的多尺度解析,能够从多取代同位素异构体自然丰度层面揭示水体CH4循环的关键过程,为量化不同生态系统的碳循环机制提供了关键参数。当前,水体中沉积物-水-大气界面分馏机制、非典型产甲烷途径的通量贡献及控制机制等仍存在认知空白。未来的研究仍需要进一步结合现场观测、实验模拟和模型分析,深入探索CH4生成与排放的机制及其在全球气候变化背景下的生态系统动态响应。