生物炭与水铁矿协同调控稻田土壤有机碳稳定性、CH4排放及微生物群落的机制研究

本研究揭示了生物炭（BC）与水铁矿（Fh）通过调控铁-有机碳复合物（Fe-OC）的形成与解离，影响有机碳（OC）矿化与稳定化过程，并显著抑制甲烷（CH4）排放的协同机制。BC作为电子穿梭体促进异化铁还原（DIR），而Fh通过螯合腐殖质类溶解性有机质（DOM）减少产甲烷菌底物，共同富集铁还原菌（如Thermoleophilia和Desulfuromonadia），为稻田温室气体减排提供新策略。

　　

Section snippets

Soil sampling and physicochemical analysis

稻田土壤样品采集自中国湖南省长期耕作的稻田（28°02′N, 112°56′E），属潴育性水稻土，母质为第四纪红黏土。研究区为湿润亚热带气候，年均温17℃，年降水量1300mm。随机采集6个耕层（0-20cm）土样混合，自然风干后过2mm筛备用。

Chemical and morphological properties of biochar and ferrihydrite

为探究BC对Fe-OC结合态及温室气体排放的影响，在厌氧培养实验中添加不同比例BC（0.5%-2%, g/g干土）与外源水铁矿（Fh, 0.1 mmol/g干土）。600℃热解BC的元素分析显示其富含碳（C、H、O占比高），孔隙结构发达，具备电子穿梭能力；Fh为弱结晶铁氧化物，具有高比表面积和活性位点，两者复合可协同调控碳铁循环。

Discussion

通过60天厌氧培养发现，BC添加（0.5%-2%）在早期显著刺激DIR（Fe(II)生成量最高），但后期因铁还原菌竞争电子抑制CH₄排放。Fh单独处理通过稳定腐殖质类DOM抑制产甲烷菌（如Methanosarcina）；BC与Fh联用则加速微生物铁还原，将电子从产甲烷途径转移，同时Fh优先固定腐殖质形成矿物-有机复合物，降低产甲烷底物可用性，并富集Thermoleophilia与Desulfuromonadia等铁还原菌，揭示BC-Fh协同减排CH₄的新途径。

Conclusions

BC与Fh协同施用显著抑制稻田CH₄排放，其机制包括：减少产甲烷菌底物供给、富集铁还原菌竞争电子。Fh促进DIR过程中DOM消耗，限制易分解碳源被产甲烷菌利用，从而降低CH₄释放。该研究为BC与铁氧化物联用调控稻田碳循环与温室气体减排提供理论依据。