High methane concentrations in tidal salt marsh soils: Where does the methane go?

Tidal salt marshes produce and emit CH4. Therefore, it is critical to understand the biogeochemical controls that regulate CH4 spatial and temporal dynamics in wetlands. The prevailing paradigm assumes that acetoclastic methanogenesis is the dominant pathway for CH4 production, and higher salinity concentrations inhibit CH4 production in salt marshes. Recent evidence shows that CH4 is produced within salt marshes via methylotrophic methanogenesis, a process not inhibited by sulfate reduction. To further explore this conundrum, we performed measurements of soil-atmosphere CH4 and CO2 fluxes coupled with depth profiles of soil CH4 and CO2 pore water gas concentrations, stable and radioisotopes, pore water chemistry, and microbial community composition to assess CH4 production and fate within a temperate tidal salt marsh. We found unexpectedly high CH4 concentrations up to 145,000 mu molmol(-1) positively correlated with S2- (salinity range: 6.6-14.5ppt). Despite large CH4 production within the soil, soil-atmosphere CH4 fluxes were low but with higher emissions and extreme variability during plant senescence (84.3684.4nmolm(-2)s(-1)). CH4 and CO2 within the soil pore water were produced from young carbon, with most Delta C-14-CH4 and Delta C-14-CO2 values at or above modern. We found evidence that CH4 within soils was produced by methylotrophic and hydrogenotrophic methanogenesis. Several pathways exist after CH4 is produced, including diffusion into the atmosphere, CH4 oxidation, and lateral export to adjacent tidal creeks; the latter being the most likely dominant flux. Our findings demonstrate that CH4 production and fluxes are biogeochemically heterogeneous, with multiple processes and pathways that can co-occur and vary in importance over the year. This study highlights the potential for high CH4 production, the need to understand the underlying biogeochemical controls, and the challenges of evaluating CH4 budgets and blue carbon in salt marshes. RESUMEN Las marismas salinas producen y emiten CH4. Por lo tanto, es esencial comprender los controles biogeoquimicos que regulan la dinamica espacial y temporal del CH4 en estos humedales. El paradigma predominante asume que la metanogenesis acetoclastica es la via dominante para la produccion de CH4 y que altas concentraciones de salinidad inhiben la produccion de CH4 en estos ecosistemas. Hay evidencia que el CH4 se produce las marismas salinas a traves de la metanogenesis metilotrofica, un proceso no inhibido por la reduccion del sulfato. Para explorar esta paradoja, realizamos mediciones de los flujos de CH4 y CO2 del suelo a la atmosfera junto con perfiles de concentraciones de CH4 y CO2 en el suelo, isotopos estables y radioisotopos, quimica del agua y composicion de la comunidad microbiana para evaluar la produccion y el destino del CH4 en una marisma salina templada. Encontramos concentraciones de CH4 sorprendentemente altas de hasta 145,000 mu molmol(-1) correlacionadas positivamente con S2- (rango de salinidad: 6.6 a 14.5 ppt). A pesar de la gran produccion de CH4 en el suelo, los flujos de CH4 del suelo a la atmosfera fueron bajos, pero con mayores emisiones y variabilidad extrema durante la epoca de senescencia de las plantas (84.3 +/- 684.4nmolm(-2)s(-1)). El CH4 y el CO2 en el suelo se produjeron a partir de carbono joven, con la mayoria de los valores Delta C-14-CH4 y Delta C-14-CO2 en o por encima de valores modernos. Encontramos evidencia de que el CH4 en los suelos fue producido por metanogenesis metilotrofica e hidrogenotrofica. Existen varias vias que el CH4 producido sigue, incluida la difusion hacia la atmosfera, la oxidacion del CH4 y la exportacion lateral a arroyos adyacentes a la marisma; siendo este ultimo el flujo dominante mas probable. Nuestros hallazgos demuestran que la produccion y los flujos de CH4 son biogeoquimicamente heterogeneos, con multiples procesos y vias que pueden coexistir y variar en importancia a lo largo del ano. Este estudio destaca el potencial de alta produccion de CH4, la necesidad de comprender los controles biogeoquimicos de la produccion de CH4 y los retos que existen para evaluar las reservas de CH4 y el carbono azul en marismas salinas.