硫酸铁改性生物炭对稻田甲烷减排与重金属钝化的双重效应及机制研究

本研究针对稻田系统甲烷(CH4)排放和重金属污染的双重挑战，通过开发硫酸铁改性生物炭(Fe-BC)开展了两季盆栽实验。研究发现Fe-BC处理使CH4累积排放量降低34%，水稻产量提高14%，稻米铬(Cr)含量降低56%。其作用机制包括增强II型甲烷氧化菌活性、改善土壤氧化还原条件和促进重金属钝化，为开发多功能生物炭技术提供了新思路。

　　

在全球气候变化和粮食安全双重压力下，稻田生态系统正面临前所未有的挑战。作为世界上最重要的主粮作物之一，水稻养活了全球过半人口，但其种植过程却贡献了约22%的农业甲烷(CH₄)排放，年排放量达到29太克(25-37 Tg yr^-1)。更令人担忧的是，长期集约化种植和过量施肥导致土壤酸化严重，不仅限制了作物生产力，还增加了重金属迁移性和CH₄排放风险。这种严峻形势使得开发既能减少温室气体排放又能保障粮食安全的创新技术成为当务之急。

传统生物炭(biochar, BC)虽然被认为具有减排潜力，但其效果存在显著争议。一些研究表明生物炭能显著降低CH₄排放，而另一些研究却报告了微不足道甚至相反的效果。这种不一致性主要源于土壤特性、生物炭生产条件和施用策略等多种因素的影响，特别是在pH值经常低于6.5的酸性土壤中，传统生物炭的减排效果往往大打折扣。

面对传统生物炭的局限性，改性生物炭应运而生。其中，铁改性生物炭因其独特的性能而备受关注。铁离子(Fe³⁺)作为淹水土壤中的电子受体，能够与产甲烷途径竞争电子供体，从而抑制产甲烷活性。同时，铁离子还有助于调节土壤氧化还原状态，增强甲烷单加氧酶(MMO)活性，促进甲烷氧化菌对CH₄的氧化。特别是Fe²⁺对于可溶性甲烷单加氧酶(sMMO)的活性至关重要，这种酶在铜限制条件下由II型甲烷氧化菌表达。

基于铁-生物炭协同作用的潜力，南京农业大学资源与环境科学学院农业农村部东南地区农业绿色低碳重点实验室的研究团队开发了一种新型硫酸铁改性生物炭(Fe-BC)，并通过两季盆栽实验系统评估了其对稻田CH₄排放、水稻产量和重金属吸收的影响。相关研究成果发表在《Environmental Technology》上。

研究人员采用了几项关键技术方法：通过扫描电子显微镜(SEM)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)表征生物炭的物理化学性质；使用静态箱-气相色谱法测定CH₄通量；采用实时定量PCR(qPCR)和Illumina MiSeq测序分析功能基因丰度和微生物群落结构；通过电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定重金属含量。实验土壤来自中国江苏省句容市的水稻-小麦轮作田，pH值为4.67。

3.1.生物炭的物理和形态特征

SEM图像显示Fe-BC表面有均匀分布的细小颗粒沉积，FTIR光谱显示Fe-BC在1106 cm^-1处的C-O伸缩振动带显著增强。改性后生物炭pH从10.03降至5.73，铁含量从0.73%增加至2.36%，比表面积和总孔体积略有减少。

3.2.生物炭对季节CH₄排放、水稻产量和CH₄潜力的影响

Fe-BC处理在两季实验中使CH₄累积排放量平均降低34%，水稻产量提高14%，产量 scaled CH₄排放降低47%。甲烷氧化潜力(MOP)在Fe-BC处理下显著增强，特别是在抽穗期、灌浆期和成熟期。

3.3.CH₄功能微生物和群落演替

Fe-BC显著提高了pmoA基因丰度，重塑了甲烷氧化菌群落结构。II型甲烷氧化菌(Methylocystis + Methylosinus)在灌浆期占总甲烷氧化菌群落的72%。共现网络分析表明Fe-BC处理下甲烷氧化菌网络具有最高的复杂性(2012条边，平均度为5.27)。

3.4.稻米和土壤中的重金属含量

Fe-BC处理使稻米中铬(Cr)浓度显著降低56%(从0.37降至0.16 mg kg^-1)，而对土壤重金属含量无显著影响。铅(Pb)浓度略有增加但未达显著水平，所有重金属含量均低于国家安全限值。

研究结论表明，硫酸铁改性生物炭通过多种机制实现CH₄减排和重金属钝化的双重效益。一方面，Fe-BC通过提供电子受体、刺激甲烷氧化菌活性(特别是II型菌属)和重塑微生物群落结构来增强CH₄氧化；另一方面，其酸性表面特性促进Cr(VI)向Cr(III)的转化，并通过铁膜形成减少植物对铬的吸收。这些发现为设计多功能生物炭技术提供了科学依据，对实现稻田系统可持续发展具有重要意义。

值得注意的是，Fe-BC对铅(Pb)的固定效果相对较弱，这可能是由于酸性条件下Pb²⁺溶解性增加所致。虽然铅含量增加不显著且低于安全标准，但仍需在实际应用中密切关注。此外，Fe-BC与常规BC在CH₄减排效果上无显著差异，表明两者通过不同但互补的机制发挥作用：Fe-BC主要增强CH₄氧化，而BC则通过提高pH、增加表面积和孔体积来改善土壤通气性和吸附易分解基质。

这项研究不仅证实了铁改性生物炭在稻田系统中的多重效益，还为解决气候变化和粮食安全协同挑战提供了创新思路。随着全球对可持续农业需求的日益增长，这种既能减少温室气体排放又能保障粮食安全的技术方案将具有广阔的应用前景。未来的研究需要进一步优化铁添加量和残留物管理，最大化Fe-BC的净甲烷减排潜力，同时最大限度地减少对产甲烷的意外刺激。