生物炭与有机肥协同调控水稻土微生物碳氮代谢以减少净温室气体排放的效应

《Journal of Environmental Management》：Synergistic effects of biochar and organic fertilizer on the regulation of microbial carbon and nitrogen metabolism in paddy soil to reduce net greenhouse gas emissions

　　

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  生物炭与有机肥协同减少温室气体净排放并提高产量。
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  温室气体排放变化与微生物碳/氮循环功能密切相关。
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  生物炭与有机肥改变碳/氮循环基因的共现网络和代谢途径。
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  土壤性质调控与温室气体排放相关的微生物功能基因。

引言

全球粮食生产在满足产量需求的同时面临水资源短缺和环境可持续性挑战（Yang等，2024）。作为重要的粮食生产系统，水稻田是全球温室气体（GHG）排放的主要来源之一，其排放的CH₄和N₂O分别约占全球农业CH₄和N₂O总排放量的22%和11%（Qian等，2023）。在百年时间尺度上，它们的增温潜势分别为CO₂的34倍和298倍（Peng等，2025）。水稻田既是温室气体的排放源，也是潜在的碳汇，增强土壤碳封存是实现水稻种植温室气体净零排放的关键途径（Han等，2023）。同时减少温室气体排放并增加土壤有机碳含量对于平衡碳氮循环和缓解全球变暖至关重要（Nie等，2023）。近年来，旱直接播种水稻（DDSR）因其节水潜力、稳定产量和减少温室气体排放而受到广泛关注。然而，与传统淹水稻相比，其独特的土壤通气性和养分动态使温室气体排放过程更加复杂（Cao等，2024）。因此，在旱直接播种水稻系统中实现减排、碳封存和稳定增产的多目标平衡，是农业和环境科学领域亟待解决的关键科学挑战。

土壤微生物在水田的碳氮循环和温室气体排放中发挥关键作用（You等，2022）。通过调控碳输入的分解和转化，它们直接影响产甲烷菌、甲烷氧化菌以及与N₂O产生或还原相关的功能基因的活性，从而决定CH₄和N₂O的排放动态（Nie等，2023；Sun等，2024）。适当的土壤管理和施肥实践可以改变功能微生物的群落结构和代谢潜力，从而减少温室气体排放并提高农业生产力（Han等，2023；Hu等，2024；Zheng等，2024）。现有研究表明，外源有机碳（如生物炭和有机肥）的投入可以有效改善土壤理化性质，调控碳氮循环功能微生物的代谢途径，从而改变农田的净温室效应（Xiao等，2024）。因此，通过添加外源有机碳来调控微生物群落多样性和碳氮功能基因，已成为减轻水田温室效应和提高农业生产力的关键途径。

有机肥部分替代化学氮肥可以改善土壤养分循环和结构稳定性，促进有机碳积累，并为功能微生物群落提供基质来源（Gao等，2025b）。然而，单施有机肥对水田温室气体排放的影响仍不确定。Peng等（2026）发现，在节水灌溉系统下，与传统淹水稻相比，有机肥替代显著降低了CH₄排放和全球增温潜势，但增加了N₂O排放。相反，Zhao等（2025）证明有机肥替代可有效改善土壤质量、促进水稻生长，同时减少水田CO₂、CH₄和N₂O的排放。相比之下，生物炭由于其高比表面积、多孔结构和高稳定性，不仅能增强土壤碳库、改善理化性质和调节微生境（He等，2024；Wen等，2025），还能有效抑制水田CH₄和N₂O排放，从而降低其全球增温潜势（GWP）（Wen等，2025；Zhang等，2023）。更重要的是，有机肥与生物炭的协同效应可能促进土壤功能微生物群落的多样性，同时减少排放并封存碳，从而提高农业生态系统的生产力（Gao等，2025a；Hu等，2024）。然而，现有研究大多侧重于排放响应或土壤性质变化的单一方面，对生物炭和有机肥协同调控C–N耦合的微生物功能基因和代谢途径的机制理解仍然有限，特别是在旱直接播种水稻田中。生物炭提供稳定的碳源、多孔栖息地和有利于微生物定殖的微生境，而有机肥则提供易利用的养分和活性有机基质。因此，两者联合施用可能创造互补的生态位，选择性富集参与碳固定、甲烷氧化、硝化、反硝化和异化硝酸盐还原的功能微生物类群（Cao等，2024；Yang等，2025）。这种微生物群落结构和代谢途径的转变可以增强土壤碳封存，同时抑制CH₄和N₂O排放，从而改善旱直接播种水稻系统的整体温室气体平衡。

本研究在旱直接播种水稻田进行了为期两年的田间试验，旨在探究生物炭与有机肥部分替代氮肥的协同施用如何影响温室气体排放、土壤有机碳封存、水稻产量以及微生物碳–氮功能基因网络。我们假设：(i) 生物炭与有机肥联合施用将比单一施用创造更有利的土壤微环境，从而重塑微生物群落组成并富集参与碳氮循环的关键功能基因；(ii) 这些微生物转变将促进碳固定途径，同时增强甲烷氧化和完整反硝化过程，从而降低CH₄和N₂O排放；(iii) 由此产生的微生物代谢策略变化将同时增强土壤碳封存、减少温室气体净排放并维持水稻生产力。通过将季节性温室气体测量与宏基因组分析相结合，我们旨在：(i) 阐明生物炭–有机肥协同如何通过微生物C–N代谢途径调控温室气体净排放；(ii) 鉴定驱动碳封存和减排的关键功能基因和代谢策略；(iii) 确定支撑这些微生物响应的土壤理化驱动因子。本研究为优化施肥策略提供了机制证据，以在旱直接播种水稻农田生态系统中实现增产、碳封存和温室气体减排的协同增效。

章节摘要

实验设计

试验于2023至2024年在黑龙江省青安县国家重点灌溉试验站（127°40′45″E, 46°57′28″N）进行。试验采用不同比例的有机肥替代无机肥并结合生物炭施用，设置六个处理：1) 5 t/hm²生物炭不施有机肥（B1N0）、10 t/hm²生物炭不施有机肥（B2N0）、不施生物炭且20%有机肥替代

CH₄、N₂O和CO₂排放特征

不同处理在生物炭和有机肥作用下的CH₄排放曲线呈随时间增减的多峰曲线（图1a）。生物炭和有机肥施用下，两年中各处理的CH₄累积排放量分别比CK低6.56%-25.63%（p < 0.05）和9.93%-39.27%（p < 0.05）（图1b）。在仅施生物炭的情况下，不同处理的CH₄累积排放量先降低后

生物炭和有机肥对水田温室气体排放的影响

本研究发现，不同处理下CH₄和N₂O排放通量峰值均出现在追肥之后（图1a–c），这与施肥后土壤有效养分的增加直接相关（Wang等，2021a）。生物炭和有机肥显著减少了CH₄和N₂O的累积排放（图1b–d）。这种效应可能与它们改善土壤结构和增强土壤通气的容量有关。此外，它们较高的有机质和养分含量可能

结论

本研究证明，生物炭与有机肥的协同施用在旱直接播种水稻系统中为调控微生物碳氮代谢和减少温室气体净排放提供了一条有效途径。在连续两年中，联合处理始终降低了CH₄和N₂O排放，减少了GWP、GHGI和NGHGE，同时提高了水稻产量，表明减排与生产力之间存在稳健的协同效益

CRediT作者贡献声明

曹晓强：撰写–审阅与编辑、撰写–初稿、数据整理、概念化。臧镇南：撰写–审阅与编辑、概念化。刘继龙：可视化、方法论、调查、资金获取。詹国龙：撰写–审阅与编辑、方法论、概念化。石国鑫：撰写–审阅与编辑、可视化。张玲玲：撰写–审阅与编辑、可视化。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（52479036、52509049）和黑龙江省自然科学基金项目（ZL2024E004）的资助。

曹晓强|臧镇南|刘继龙|詹国龙|石国鑫|张玲玲