水稻土甲烷厭氧氧化對不同電子受體和長期施肥的響應機制研究進展
甲烷在厭氧條件下被氧化的現象（Anaerobic Oxidation of Methane, AOM）在海洋生態系統中是普遍存在的，其甲烷的消耗量為20-300TgCH4yr-1，占全球大氣甲烷通量的60-80%，對全球甲烷平衡和氣候變化有重要意義。海洋沉積物中AOM與SO42-的還原緊密相關。相比之下，AOM在陸地生態系統中的貢獻及其發生機制仍不清楚。
稻田是濕地生態系統中最重要的甲烷排放源之一，也是AOM發生的熱點場所。同時，稻田受到高強度的田間管理干擾，使其土壤物理化學生物特征與自然濕地存在顯著差異。為了探究稻田土壤中的AOM發生機制，中國科學院亞熱帶農業生態研究所吳金水研究團隊聯合德國哥廷根大學，利用同位素示蹤技術對不同施肥（不施肥，施用豬糞肥，生物炭和氮磷鉀肥）的稻田土壤，添加不同電子接受體（Fe3+, NO3-, SO42-和humic acids）進行厭氧培養。結果表明，添加NO3-使AOM速率增加了20-90%，但其在生物炭處理下與不施肥處理無顯著差異；AOM速率在豬糞肥處理下最大，其次是不施肥，氮磷鉀肥和生物炭處理最低。添加Fe3+使AOM速率在對照和豬糞肥處理下顯著降低，但生物炭和氮磷鉀肥處理下的AOM速率無顯著差異。添加SO42-使AOM速率顯著降低了5-51倍，但生物炭處理與對照相同。Humic acids使AOM速率降低了25-256％。本研究首次證明了有機電子受體（humic acids）是僅次于NO3-作為AOM的重要驅動力，在稻田土壤中至關重要（圖1）。而且，施用畜禽糞肥會在短期內增加土壤碳庫和促進溫室氣體的排放，但長期施用畜禽糞肥會減少溫室氣體的排放。本研究表明，氮磷鉀肥處理下甲烷的排放量是不施肥的3.2倍，而豬糞肥和生物炭處理下的甲烷排放量與不施肥處理無顯著差異。由于AOM速率在豬糞肥處理下的稻田土壤中最高，因此，在稻田的可持續管理中，應考慮長期施用畜禽糞肥，有助于減少甲烷的產生和較高的AOM，從而減少甲烷的排放。根據本文的AOM速率估算全球稻田AOM將有約3.9TgCyr-1的甲烷消耗量，大約是全球稻田甲烷排放量的10-20％。盡管這個估算帶有很大的不確定性，因此需要更多的研究來進一步確定AOM作為稻田中甲烷匯的貢獻性。該研究可為深入解析稻田減排潛力及稻田甲烷關鍵過程提供理論基礎和數據支撐。
該項研究近期以題為Anaerobic oxidation of methane in paddy soil: Role of electron acceptors and fertilization in mitigating CH4 fluxes發表在土壤學期刊Soil Biology and Biochemistry（2020，141：107685）上。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中德國際合作項目、中科院亞熱帶農業研究所青年創新團隊項目等項目資助。
圖1 不同電子受體和施肥對水稻土甲烷厭氧氧化和土壤有機質分解的機制圖
