生物炭调控甲烷排放：稻虾共作系统中微生物群落与土壤化学特性的响应机制

《Journal of Environmental Management》：The path to green Innovation: The impact of artificial intelligence applications on corporate continuous green innovation

本研究通过两年田间试验揭示生物炭施用对稻虾共作系统（RCS）甲烷（CH4）排放的抑制效应（降幅33.6–43.5%），阐明其通过提升土壤氧化还原电位（Eh）、pH值和矿质氮含量，降低溶解性有机碳（DOC），进而调控产甲烷菌（mcrA基因）与甲烷氧化菌（pmoA基因）群落结构的协同作用机制。

　　

CH₄排放

在2022–2023和2023–2024两个年度周期中，各处理间的CH₄通量差异在冬季休耕期后期和几乎整个水稻季均十分显著（图1）。冬季休耕期早中期，所有处理的CH₄通量均维持在较低水平。随后，RM（水稻单作系统）下的CH₄通量逐渐上升，并在冬季休耕期末达到峰值。相比之下，RCS（稻虾共作系统）、RCS+LB（低量生物炭）和RCS+HB（高量生物炭）处理的CH₄通量在冬季休耕期后期显著升高，且在整个水稻季保持较高水平。

生物炭通过改变产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度降低RCS的CH₄排放

生物炭在RCS中的应用降低了两个季节的CH₄排放（表1），这验证了我们的第一个假设。从根本上说，CH₄的合成和氧化分别由产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落驱动。与第二个假设一致，生物炭降低了RCS土壤中产甲烷菌的标记基因mcrA的丰度，同时提高了甲烷氧化菌的标记基因pmoA的丰度（图2a和b），这可以抑制CH₄的合成并促进CH₄的氧化。mcrA/pmoA比值的升高通常预示着更强的CH₄排放潜力。本研究中，生物炭处理显著降低了mcrA/pmoA比值（图2c），这进一步解释了CH₄排放减少的原因。

结论

本研究表明，生物炭施用能有效缓解稻虾共作系统（RCS）稻田在冬季休耕期和水稻季的CH₄排放，这主要归因于土壤中产甲烷菌丰度降低和甲烷氧化菌丰度增加所导致的mcrA/pmoA比值下降。产甲烷菌和甲烷氧化菌丰度的这些变化主要由生物炭引起的土壤Eh（氧化还原电位）、pH值和矿质氮含量的升高以及DOC（溶解性有机碳）水平的降低所驱动。此外，生物炭施用改变了产甲烷菌和甲烷氧化菌的群落结构，具体表现为降低了Methanobacterium（甲烷杆菌属）、Methanothermococcus（甲烷嗜热球菌属）和Methanocella（甲烷胞菌属）等产甲烷菌属的相对丰度，同时提高了Methyloparacoccus（甲基副球菌属）、Methylocaldum（甲基暖菌属）和Methylogaea（甲基地菌属）等甲烷氧化菌属的相对丰度。