秸秆还田通过功能基因调控增强稻田土壤全球增温潜势的微生物机制研究

针对秸秆还田对稻田土壤温室气体排放的影响机制不明的问题，研究人员通过室内恒温培养实验，探究了紫云英(ZYY)、小麦(XM)和油菜(YC)秸秆对CO2、CH4和N2O排放的影响。结果表明，秸秆添加显著提升土壤有机碳(TOC)51.7%–70.4%，但XM处理使全球增温潜势(GWP)最高；功能基因mcrA和pmoA分别解释7.0%和6.8%的CH4排放变异，为秸秆还田政策的制定提供理论依据。

　　

论文解读

背景与问题
全球农业生态系统贡献了15%–25%的温室气体排放，其中稻田是重要排放源。秸秆还田虽能提升土壤肥力，但其引发的CH₄和N₂O排放问题备受争议。例如，小麦秸秆可能因低C/N比加速分解，而紫云英则被认为能提升碳利用效率。然而，不同秸秆类型如何通过功能基因和微生物群落调控温室气体排放的机制尚不明确，这阻碍了秸秆还田政策的科学制定。

研究设计与方法
陕西某研究团队通过80天的室内淹水培养实验，对比了紫云英(ZYY)、小麦(XM)、油菜(YC)秸秆及无添加对照(CK)对稻田土壤的影响。采用气相色谱测定CO₂、CH₄和N₂O排放速率，qPCR定量功能基因（如mcrA、pmoA、nirS等），并通过16S rRNA测序和PICRUSt预测微生物功能。土壤碳氮组分（TOC、DOC、MBN等）采用常规化学方法测定。

研究结果

1. 土壤碳氮组分
秸秆添加使TOC提升51.7%–70.4%，DOC激增318.5%–445.1%。XM处理的DOC最高（638.15 mg kg^?1），而YC的TOC最高（31.99 g kg^?1）。MBN在秸秆处理中增加137.5%–201.9%，但N_min含量显著降低，表明秸秆促进微生物固氮。

2. 温室气体排放动态
CO₂和CH₄排放呈先升后降趋势，XM处理的峰值最高（CO₂: 267.10 μg h^?1；CH₄: 37倍于CK）。N₂O排放则被抑制，降幅达94.6%–95.8%。XM的GWP比ZYY和YC分别高53.4%和25.0%，主要因CH₄贡献占55.76倍于CK。

3. 功能基因与微生物调控
mcrA（甲烷生成基因）在XM中拷贝数最高（3059.80 copies g^?1），其宿主Ignavibacteriae和Anaerolinea丰度与CH₄排放正相关。反硝化基因nirK丰度降低48.9%（XM），其宿主Rhodanobacter减少抑制N₂O排放。TCA循环和磷酸戊糖途径强度增加，促进CO₂释放。

4. 微生物群落与代谢
秸秆处理下Firmicutes和Bacteroidetes丰度上升194%–336.6%，而Proteobacteria减少6%–17.2%。Anaeromyxobacter（nosZ宿主）和Geobacter通过铁还原耦合DNRA过程减少N₂O。

结论与意义
该研究揭示了秸秆还田通过调控功能基因（如mcrA、pmoA）及其宿主微生物（如Anaerolinea、Ignavibacteriae）驱动温室气体排放的机制。小麦秸秆因低C/N比导致最高GWP，而紫云英和油菜秸秆相对环保。研究首次提出厌氧甲烷氧化(AOM)与反硝化的耦合作用影响N₂O排放，为优化秸秆管理策略提供了微生物学依据。成果发表于《Environmental Technology》，对实现农业碳中和目标具有重要指导价值。