低碳氮比秸秆还田协同调控稻田甲烷减排与产量稳定的微生物机制研究

推荐：针对稻田系统温室气体排放与产量平衡难题，四川农业大学团队通过两年田间试验，揭示不同旱-稻轮作系统下秸秆碳氮比(C/N)通过调控产甲烷菌(mcrA)与甲烷氧化菌(pmoA)基因丰度比影响CH4排放的机制，发现紫云英-水稻(RV)系统可实现CH4减排63.8%且维持高产，为低碳稻作提供理论依据。

　　

全球气候变暖背景下，农业温室气体排放管控成为关键课题。作为全球最大水稻生产国，中国稻田贡献了全球21.6%的甲烷(CH₄)排放量，这种温室气体的百年增温潜势是二氧化碳(CO₂)的28倍。传统稻麦轮作系统虽能保障粮食安全，但高碳氮比(C/N)小麦秸秆还田会显著刺激CH₄排放。如何在维持产量的同时实现减排，成为农业可持续发展的重要挑战。

四川农业大学水稻研究所的研究团队在《Agriculture, Ecosystems 》发表论文，通过两年(2023-2024)田间试验，系统比较了小麦-水稻(RW)、油菜-水稻(RR)、蔬菜-水稻(RG)、紫云英-水稻(RV)和冬闲田-水稻五种轮作模式。研究采用静态箱-气相色谱法监测CH₄通量，qPCR定量mcrA(产甲烷功能基因)和pmoA(甲烷氧化功能基因)，结合产量测定与温室气体强度(GHGI)计算，揭示了秸秆C/N比通过微生物群落调控CH₄排放的关键机制。

不同轮作系统秸秆特性

试验发现紫云英(RV)秸秆干物质最高(25.4-36.2 t hm^-2)，但其C/N比最低(11.28)；而小麦(RW)秸秆C/N比达43.91。碳输入量显示RW、RR和RV系统较高，但RV系统单位碳的产甲烷潜力最低。

CH₄排放动态

RW系统因高C/N秸秆刺激mcrA基因丰度(5.00×10⁷ copies g^-1)，两年累计CH₄排放最高(683.41和238.65 kg hm^-2)。相反，RV系统通过平衡mcrA/pmoA比值(0.61-1.19)，使CH₄排放降至147.56-39.55 kg hm^-2，降幅达63.8%。

产量与碳效率

RW系统产量(7741-8231 kg hm^-2)与RV系统(7668-8614 kg hm^-2)无显著差异，但RV的GHGI最低(0.12-0.48 kg CO₂-eq kg^-1)，较RW降低78.4%。

微生物调控机制

高C/N秸秆促进产甲烷菌优势，使mcrA/pmoA比值升高；低C/N紫云英秸秆则通过加速分解提供氮源，激活甲烷氧化菌，形成有利于减排的微生物群落结构。

该研究首次阐明秸秆C/N比通过微生物功能基因网络调控稻田CH₄排放的双向机制，证实紫云英-水稻轮作可实现"减排保产"双重目标。这不仅为优化轮作制度提供科学依据，更为《巴黎协定》农业减排目标提供了可操作的田间实践方案。研究建立的C/N比-微生物功能基因-温室气体排放的定量关系模型，对发展精准农业碳中和技术具有重要指导价值。