微生物燃料电池、大孔隙与农业强化水系统对稻田土壤氧化还原电位及温室气体排放的调控机制

为解决稻田土壤因厌氧环境导致的CH4和N2O排放问题，研究人员通过微生物燃料电池（MFC）、大孔隙（MP）和农业强化水系统（FOEAS）调控氧化还原电位（Eh）。结果显示MFC提升Eh 40.92%，MP实现最低CH4排放（2.579 kg ha?1 d?1），揭示了电子传递技术与孔隙结构在减排中的协同作用，为可持续稻作提供新策略。

　　

稻田作为全球近半数人口的主粮来源，其种植过程却贡献了48%的农田温室气体排放，其中甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的全球增温潜势分别达CO₂的30倍和273倍。长期淹水导致的厌氧环境促使产甲烷菌和反硝化微生物活跃，而传统减排技术往往顾此失彼——提高氧化还原电位（Eh）虽能抑制CH₄，却可能加剧N₂O释放。

针对这一矛盾，日本岐阜大学（Gifu University）的研究团队设计了一项创新性研究，通过微生物燃料电池（Microbial Fuel Cells, MFC）、大孔隙（Macropore, MP）和农业强化水系统（Farm-Oriented Enhancing Aquatic Systems, FOEAS）三种技术干预稻田Eh动态。研究发现MFC通过电极介导的电子传递使Eh提升40.92%，虽将N₂O排放降低10.8%（4.172 g ha^?1 d^?1），但初期CH₄排放激增2.5倍；MP则凭借孔隙结构优化氧扩散，实现最低CH₄排放（2.579 kg ha^?1 d^?1）；FOEAS在深层土壤中局部提升Eh，但对N₂O通量影响有限。这项发表于《Journal of Environmental Management》的研究，首次系统评估了电子传递与物理结构改良在稻田减排中的协同效应。

研究采用四项关键技术：1）电位计连续监测15 cm/25 cm土层Eh；2）静态箱-气相色谱法测定CH₄（BID检测器）和N₂O（ECD检测器）通量；3）总有机碳（TOC）分析仪追踪碳动态；4）非参数统计（Kruskal-Wallis检验）比较处理差异。

3.1 氧化还原电位

MFC在15 cm深度维持最高Eh（-121.33 mV），较对照提升40.92%，其阳极-阴极电子传递体系有效替代了Fe³⁺/NO₃^?等自然电子受体；MP通过孔隙结构实现中等Eh提升，而FOEAS仅在25 cm深度表现显著（p<0.05）。

3.2 N₂O排放

MFC使N₂O通量降至397 μg m^?2 d^?1（8月5日），归因于电极对反硝化微生物的电子竞争；MP因孔隙远离根系致局部厌氧区持续存在，减排效果较弱（5%）。

3.3 CH₄排放

MP凭借氧扩散抑制产甲烷菌活性，CH₄通量较对照降低38%；MFC初期因微生物群落重构导致CH₄峰值（2523 mg m^?2 d^?1），后期随TOC消耗回落。

3.4 TOC动态

MFC处理组TOC最低（12 ppm），反映微生物对有机碳的快速利用；FOEAS因水流上涌携带底土有机质，中后期TOC回升触发二次产甲烷。

讨论与结论

该研究揭示了Eh调控技术的双重效应：MFC虽优化电子传递路径，但需平衡初期CH₄激增；MP的物理结构优势使其成为稳定减排方案，而FOEAS的局限性凸显氧分布不均的瓶颈。作者建议未来研究应聚焦电极/孔隙空间配置优化，并结合溶解氧监测以阐明N₂O形成的微观机制。这项工作为开发"氧化还原精准调控"的智能稻作系统提供了理论基石，对实现《巴黎协定》农业减排目标具有实践意义。