蟹类的生物扰动增强了盐碱稻田中沉积物的氮保持能力，并减少了氮氧化物的产生

《CATENA》：Crab bioturbation enhanced sediment nitrogen retention and weakened N 2O production in saline-alkaline paddies

氮循环调控与减排机制研究 | 盐碱水稻田中中国绒螯蟹生物扰动对氮素转化及N?O排放的影响。通过同位素标记、宏基因组测序及网络分析，发现高密度蟹养殖显著促进反硝化氨氧化（DNRA）和氮固定，使总氮流失减少39.04%-62.30%，N?O排放降低8.89%-43.52%。蟹活动重塑了微生物群落结构，增强硫-氮耦合关联，形成“生物泵”机制，通过碳转化与微域氧化还原异质性调控氮循环，为盐碱农业的可持续氮管理和气候正效应提供新路径。

　　本研究聚焦于盐碱稻田中蟹类生物扰动对氮循环和氮氧化物（N?O）排放的影响，探索了在特定蟹密度下，如何通过微生物群落的结构变化和氮转化过程的调控，实现对氮素的高效保留以及减少温室气体排放。这一发现不仅揭示了蟹类在生态系统中的关键作用，也为盐碱稻田的可持续管理提供了新的生态思路。以下将从研究背景、方法、结果和意义等方面进行解读。

### 研究背景与意义

盐碱化土壤是全球范围内一个严峻的农业挑战，影响着大约1×10? km2的土地。这种土壤环境通常伴随着高pH值、高碳酸氢盐浓度以及钠离子的毒性，这些因素会显著干扰土壤中的氮循环过程。高盐度环境下，土壤中的硝化作用可能受到抑制，而氨（NH?）的挥发则可能增加。同时，盐碱条件还可能造成微生物群落的结构变化，影响氮的利用效率，从而增加N?O的排放风险。为了应对这一问题，科学家们一直在寻找能够有效改善盐碱土壤氮循环、降低氮损失以及减少温室气体排放的生态解决方案。

在中国东北的松嫩平原等地，稻蟹共作系统作为一种新兴的生态农业模式，因其在提升土地和水资源利用效率、减少对农业化学品的依赖以及增加农户收益等方面的优势而受到广泛关注。然而，尽管稻蟹共作系统在自然环境中的应用已有诸多研究，其在盐碱环境中的氮循环调控机制仍不明确。本研究正是在这一背景下展开，通过综合运用氮同位素标记、宏基因组测序以及共现网络分析等手段，系统地探讨了不同蟹密度对盐碱稻田中微生物群落和氮转化过程的影响。

### 研究方法

本研究选取了位于吉林省大安市的三个盐碱稻田作为实验对象，这些稻田具有相似的气候条件和土壤类型。在实验开始时，两个稻田分别投放了不同密度的中华绒螯蟹（*Eriocheir sinensis*），分别为60.70 kg/ha（中密度，M）和91.05 kg/ha（高密度，H），而第三个稻田则不投放蟹类作为对照（N）。实验持续三个月，从7月到9月，每月采集一次样本。每个稻田中选择三个点位，每个点位采集三个表层土壤样本（0–5 cm），并密封在无菌塑料袋中。同时，还采集了上层水样，并通过0.45 μm滤膜过滤后储存于-20°C以备后续分析。所有样本在12小时内运送至实验室，并根据不同的分析目的进行处理：一部分用于氮循环速率的测定，一部分用于微生物群落分析，另一部分用于测定土壤的理化性质。

为了准确测定土壤和水体中的理化参数，如温度、pH值、电导率（EC）、溶解氧（DO）、总溶解固体（TDS）、总氮（TN）、总磷（TP）、碱度、铵（NH??）、亚硝酸盐（NO??）和硝酸盐（NO??）等，研究者采用了多种标准方法，包括便携式水质分析仪、分光光度计以及化学滴定法。这些参数的测定为理解土壤环境的变化提供了基础数据支持。

在微生物群落分析方面，研究团队使用了16S rRNA基因的V4–V5高变区引物进行扩增子测序，并通过QIIME2平台进行数据质量过滤和分类学注释。此外，还通过宏基因组测序技术（Illumina NovaSeq平台）对土壤中的功能基因进行了深入分析，包括参与硝化作用的*amoA*基因、参与反硝化作用的*narG-nirS*、*nosZ*基因以及参与氮固定作用的*nifH*基因。这些基因的丰度和分布有助于揭示蟹类对氮循环过程的调控机制。

为了量化氮循环的潜在速率，研究团队采用了一系列实验方法。例如，通过双抑制法（使用氯酸盐和辛烯）测定氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的硝化速率，通过1?N同位素标记技术测定反硝化和厌氧氨氧化（anammox）速率，以及通过1?N?气泡法测定生物固氮速率。这些方法的结合使得研究者能够全面评估蟹类对氮转化过程的影响。

### 研究结果

实验结果表明，蟹类的生物扰动显著改变了土壤和上层水的理化性质。在高密度蟹处理（H）中，上层水的DO和pH值显著高于对照组（N），而土壤中的pH值和铵浓度也有所上升。相反，土壤中的硝酸盐和亚硝酸盐浓度在高密度处理中明显下降，同时硫化物的含量也减少。这些变化表明，蟹类的活动通过改变土壤的氧化还原状态，影响了氮素的转化路径。

在微生物群落结构方面，蟹类的扰动对土壤中的微生物多样性没有显著影响，但显著改变了其组成。研究发现，蟹类高密度处理下的微生物群落表现出更高的异质性，而中密度处理和对照组的微生物群落则较为相似。此外，某些特定的微生物类群，如*Thermodesulfobacteriota*和*Sulfurospirillum*，在高密度处理中显著富集，这可能与其在低氧条件下促进DNRA和固氮作用有关。

在氮循环基因的丰度方面，蟹类的生物扰动显著提高了与氮固定和氮保留相关的基因丰度，如*nrfA*（参与DNRA）和*nifH*（参与固氮），而与硝化和反硝化相关的基因丰度则有所下降。这一结果表明，蟹类通过增加可溶性有机碳的供应，促进了氮固定和DNRA过程，从而增强了土壤对氮的保留能力。

在氮循环速率方面，蟹类的生物扰动显著降低了硝化、反硝化和N?O的生成速率，但提高了DNRA和固氮速率。具体而言，高密度蟹处理下的硝化速率比对照组降低了39.04–62.30%，N?O生成速率降低了8.89–43.52%。这些结果表明，蟹类通过改变土壤的氧化还原状态，能够有效抑制氮的损失，同时促进氮的保留。

此外，研究还发现，蟹类的生物扰动通过增加土壤中的有机碳含量，创造了有利于氮固定和DNRA的微环境。这种碳氮耦合效应被称为“蟹泵”机制，它通过持续的碳转化和氮保留，为盐碱稻田的可持续管理提供了新的生态视角。

### 讨论与生态意义

蟹类的生物扰动对氮循环的影响具有显著的生态意义。首先，蟹类通过其活动改变了土壤的氧化还原状态，增加了有机碳的供应，这不仅促进了DNRA和固氮过程，还抑制了硝化和反硝化过程。这种机制使得土壤能够更有效地保留氮素，从而减少氮的损失和N?O的排放。

其次，蟹类的扰动还通过改变微生物群落的组成，影响了氮转化的关键过程。例如，在高密度蟹处理下，*Thermodesulfobacteriota*和*Sulfurospirillum*等微生物类群的丰度显著增加，这可能与其在低氧条件下的氮转化能力有关。这些微生物的存在和活动为氮的保留提供了重要的生态基础。

最后，蟹类的生物扰动还通过增加土壤中的氮固定速率，为盐碱稻田提供了额外的氮素来源。这种自然的氮素补充机制不仅有助于提高稻田的生产力，还减少了对人工肥料的需求，从而降低了农业对环境的负面影响。

### 方法论与局限性

尽管本研究采用了多种先进的实验方法，如1?N同位素标记、宏基因组测序和共现网络分析，但这些方法也存在一定的局限性。例如，1?N同位素标记法虽然能够准确测定氮转化速率，但其结果可能仅反映潜在的转化能力，而非实际的田间速率。此外，样本的处理过程可能会影响土壤中自然存在的垂直化学梯度，从而改变微生物的活性和代谢路径。

为了克服这些局限性，研究者建议未来的研究应采用更精确的方法，如完整柱实验，以更好地模拟自然条件下的氮转化过程。同时，增加采样点位和实验周期，也有助于更全面地理解蟹类对氮循环的长期影响。

### 结论与未来展望

本研究揭示了蟹类在盐碱稻田中作为“生物工程师”的关键作用，其通过生物扰动促进了氮的保留和减少N?O的排放。这一发现为盐碱稻田的可持续管理提供了新的生态策略，即通过优化蟹类的投放密度，实现对氮素的高效利用和温室气体的减排。未来的研究应进一步探索这一机制在不同盐碱环境中的适用性，并结合更多田间实验，验证其在实际农业生产中的效果。

总之，本研究不仅深化了对盐碱稻田中氮循环机制的理解，还为发展生态友好的农业模式提供了科学依据。蟹类的生物扰动通过其对土壤理化性质和微生物群落的调控，为实现盐碱土壤的可持续利用和农业生产的绿色转型提供了新的思路。