堆肥改良农田土壤甲烷循环微生物群落及其减排潜力研究

本研究针对农业土壤甲烷(CH4)减排需求，通过大田试验探究有机改良剂对土壤CH4吸收潜力及甲烷循环微生物群落的影响。研究发现堆肥施用显著提高土壤CH4吸收速率，并引入优势甲烷氧化菌Methylocaldum szegediense和产甲烷菌Methanosarcina horonobensis，为农业甲烷减排提供了微生物学依据。

　　

随着全球大气甲烷(CH₄)浓度持续攀升，农业土壤作为重要的甲烷源和汇备受关注。传统耕作和化肥施用导致农田土壤甲烷吸收能力显著下降，而可持续农业管理策略如有机改良的应用效果及其微生物学机制尚不明确。荷兰生态研究所(NIOO-KNAW)的研究团队在《ISME Communications》发表的研究，通过多国长期田间试验，揭示了堆肥施用对土壤甲烷循环微生物群落和功能的调控作用。

研究人员采用田间采样与实验室培养相结合的方法，在荷兰、比利时和瑞士6个长期试验点采集0-15 cm土层样品。通过气相色谱测定不同甲烷浓度(~10 ppmv和~10,000 ppmv)下的氧化速率，结合qPCR和扩增子测序分析pmoA和mcrA基因，系统评估了堆肥施用对甲烷循环微生物的影响。

堆肥提高土壤甲烷吸收潜力

研究发现有机改良土壤在近大气浓度(~10 ppmv)和高浓度(~10,000 ppmv)CH₄条件下均表现出更强的氧化能力。特别值得注意的是，堆肥处理土壤将CH₄氧化至亚大气浓度(<1.89 ppmv)的潜力显著提高。这种促进作用与土壤pH值、水分和(NO₂^-+NO₃^-)-N含量等环境因子密切相关。

甲烷循环微生物群落重构

分子分析显示，堆肥施用显著改变了土壤甲烷循环微生物群落结构：

• 甲烷氧化菌群落中，堆肥来源的Methylocaldum szegediense相对丰度显著增加，而本土的Upland Soil Cluster a(USCa)减少

• 产甲烷菌群落中，Methanosarcina horonobensis成为优势种

• 总体表现为群落多样性降低但功能基因(pmoA和mcrA)拷贝数增加

关键功能微生物的生态角色

尽管M. szegediense在堆肥处理土壤中占据主导地位，但多元分析并未发现其与甲烷吸收能力的直接正相关。相反，传统II型甲烷氧化菌如Methylocystis spp.可能在低浓度CH₄氧化中发挥重要作用。研究推测堆肥可能通过提供必需微量元素和还原当量，激活了这些微生物的高亲和力甲烷氧化潜能。

这项研究首次在田间尺度证实了堆肥作为微生物载体的双重作用：既引入特定功能微生物，又改善土壤环境促进甲烷氧化。研究结果为发展"气候智能型"农业提供了重要依据，表明有机改良策略不仅能提升土壤肥力，还可通过调控微生物群落增强温室气体减排功能。未来研究需进一步明确不同甲烷氧化菌群的功能分工及其在长期田间条件下的稳定性，为精准农业管理提供理论支撑。