氮肥调控碳分配缓解增温诱导的水稻CH4排放机制研究

《Field Crops Research》：Nitrogen fertilizer mitigates warming-induced CH 4 emissions in rice by regulating carbon allocation

全球变暖威胁水稻生产并加剧稻田CH4排放。南京农业大学团队通过两年田间试验发现，增温通过促进根系分泌增加产甲烷底物，使CH4排放量显著上升；而增温条件下增施氮肥可上调淀粉合成相关基因表达，将光合产物导向籽粒，减少根系碳输出，从而降低CH4排放29.5%-31.6%，同时提高产量15.7%-19.1%。该研究为全球变暖背景下水稻生产减排增效提供了理论依据。

　　

随着全球地表温度持续上升，稻田生态系统正面临严峻挑战。数据显示，2022年全球平均气温已比工业化前水平升高1.2℃，而到本世纪末可能再上升0.3-3.3℃。这种变暖趋势不仅威胁着全球水稻产量——特别是中低纬度地区水稻减产显著，更令人担忧的是，升温会加剧稻田甲烷（CH₄）排放。作为第二大温室气体，CH₄对全球变暖的贡献率高达30%，而稻田正是其主要人为排放源之一，年排放量达24-31太克，占农业温室气体排放的43%。这一双重威胁使得如何在变暖背景下既保障粮食安全又控制温室气体排放，成为当前农业可持续发展的重要课题。

温度升高如何影响水稻碳分配？氮肥在这一过程中扮演什么角色？为了解答这些问题，南京农业大学沈莹莹团队在《Field Crops Research》上发表了最新研究成果。研究团队基于一个关键科学问题展开探索：增温条件下，氮肥是否可以通过调控光合产物的分配路径，在提高水稻产量的同时减少CH₄排放？

研究方法与技术路线

研究团队在江苏省丹阳试验站开展了连续两年的田间试验，采用自由空气增温系统（FATE）模拟气候变暖条件。实验设置四个处理：常温对照（CK）、增温（ET）、常温增氮（CKN）和增温增氮（ETN）。通过测定水稻产量、生物量、可溶性糖含量、基因表达、根系分泌物、CH₄排放通量以及根际微生物群落等指标，系统解析了碳分配路径的变化规律。关键技术包括自由空气增温控制系统、气相色谱法测定CH₄排放、实时荧光定量PCR分析基因表达、高通量测序分析微生物群落等。

产量与生物量变化

研究结果显示，与常温对照相比，单纯增温处理使水稻产量在两年间分别降低14.7%和31.2%，生物量下降4.7%和19.1%。这一结果印证了变暖对水稻生产的负面影响。然而，增温条件下增施氮肥有效缓解了这种减产效应：与单纯增温相比，增温增氮处理的产量提高了15.7%-19.1%，生物量增加了12.5%-19.8%。方差分析表明，温度、氮肥及其交互作用对产量和生物量均有显著影响，证实了氮肥对增温胁迫的补偿效应。

碳分配与基因表达调控

深入机制研究发现，增温处理提高了籽粒和叶片中的可溶性糖含量，但下调了淀粉合成相关酶基因（如SUS、SS等）的表达，导致碳利用效率降低。与此同时，增温促进了根系分泌物的释放，为土壤中的产甲烷菌提供了更多底物。相反，增温增氮处理通过上调淀粉合成相关基因表达，促进光合产物向籽粒分配，同时减少根系分泌物相关基因表达，降低了根系碳输出。这一碳分配路径的重新定向，是氮肥实现"增产减排"双重目标的关键。

CH₄排放与微生物机制

在CH₄排放方面，增温处理显著增加了排放通量，而增温增氮处理则使CH₄排放降低了29.5%-31.6%。微生物群落分析显示，增温富集了产甲烷菌（methanogens）的底物，而氮肥处理通过减少根系碳输入，改变了根际微生物群落结构，降低了产甲烷活性。这种通过植物-土壤-微生物连续体实现的减排机制，为理解农田温室气体调控提供了新视角。

讨论与启示

本研究从碳分配的角度揭示了氮肥缓解增温诱导CH₄排放的生理生态机制。增温导致的光合产物分配失衡不仅造成产量损失，还通过增加根系分泌物加剧了CH₄排放。而氮肥的施用优化了源-库关系，将碳更多地分配到经济器官（籽粒），而非通过根系进入土壤。这种"碳分流"效应既提高了产量，又减少了产甲烷底物供应，实现了协同增益。

该研究的创新之处在于将植物生理过程与土壤微生物过程有机结合，阐明了从叶片光合到根际微生物的完整碳流路径。研究结果对制定气候变化下的水稻田间管理策略具有重要指导意义：通过优化氮肥管理，可以在变暖条件下实现水稻生产的高产低碳目标。这一"气候智能型"农业模式，为全球粮食安全与气候变化应对提供了双赢解决方案。

结论

研究表明，在增温条件下适量增施氮肥可通过调控碳分配路径，将光合产物从根系向籽粒重新分配，从而在提高水稻产量15.7%-19.1%的同时，降低CH₄排放29.5%-31.6%。这一发现不仅揭示了氮肥调控稻田CH₄排放的生理生态机制，也为发展可持续水稻生产提供了理论依据和实践途径。在未来气候变暖背景下，基于碳分配优化的氮肥管理策略有望成为协调粮食安全与环境保护的重要技术手段。