铵对稻田土壤甲烷氧化的温度依赖性抑制

《Applied Soil Ecology》：Temperature-dependent inhibition of methane oxidation by ammonium in paddy soils

　　

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  在较高温度下，甲烷氧化的启动速度更快，但最大氧化速率未受影响。
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  最大甲烷氧化速率受采样地点年均温度的影响。
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  铵对最大甲烷氧化速率具有负面影响，且抑制程度具有温度依赖性。

引言

水稻约占全球人均热量摄入量的五分之一（Awika等，2011），但稻田土壤是全球最重要的人为甲烷排放源之一（K?gel-Knabner等，2010；Lee等，2014）。甲烷是一种强效温室气体，其全球增温潜势显著高于二氧化碳（IPCC，2021）。甲烷在土壤中通过专性甲烷氧化菌（甲烷营养菌）介导的氧化作用被自然去除（Le Mer和Roger，2001）。然而，稻田土壤中甲烷氧化受多种环境因子的调控，其具体机制尚不清楚。深入了解这些效应对于制定既能有效减缓甲烷排放又能确保粮食安全的策略至关重要。

甲烷营养菌根据碳同化途径（RuMP途径和丝氨酸途径）及细胞内膜结构被分为I型（γ-变形菌）和II型（α-变形菌）（Hanson和Hanson，1996；Ho等，2011；Kalyuzhnaya等，2019）。I型甲烷营养菌通常在甲烷丰富且贫氧的环境中占主导地位（Ahmadi和Lackner，2024；Hanson和Hanson，1996），而II型甲烷营养菌则更能耐受营养限制、酸性环境及甲烷浓度波动（Ho等，2013；Zheng等，2024）。这些不同的生态位表明，环境变化可能驱动甲烷营养菌群组成的显著转变以及生态系统整体功能的改变。

温度是微生物活性的关键调控因子，甲烷氧化的最适温度范围相对狭窄（通常为20–35°C）（Conrad，2007；Kevbrina等，2001；Mohanty等，2007；Zhang等，2020a）。然而，I型和II型甲烷营养菌表现出不同的温度偏好。I型甲烷营养菌倾向于在较凉爽的环境中占优势，而II型甲烷营养菌在较温暖条件下更为常见（Fenibo等，2023）。这些偏好使得识别温度对甲烷氧化的特异性效应变得复杂。温度波动通常会影晌甲烷营养菌群，进而改变群落组成和功能。此类转变可能涉及优势物种的结构转型（例如II型甲烷营养菌丰度增加）以及微生物多样性的暂时性下降（Gómez-Borraz等，2025；Ho和Frenzel，2012）。此外，过高的温度可能直接抑制甲烷加氧酶（MMO）的活性，MMO是甲烷氧化中的关键酶，从而导致氧化速率和微生物生长效率降低（Chan和Lee，2019；Mohanty等，2007）。

土壤中的铵也会影响微生物的甲烷氧化，且这种影响的程度可能具有温度依赖性并因不同地区而异（Yang等，2024）。低至中等浓度的铵已被证明能刺激甲烷营养菌的生长和活性，尤其是在氮限制条件下（Li等，2025；Xia等，2021）。这被认为是因为铵与甲烷竞争MMO酶的活性位点，尤其是在铵浓度超过某一阈值时（He等，2017；Li等，2025）。硝化过程中氧气耗竭以及有毒中间体（亚硝酸盐和羟胺）的生成也可能间接抑制甲烷氧化（Kravchenko等，2024；Liu等，2024）。此外，I型和II型甲烷营养菌对铵的响应也不同：I型菌群通常更容易被铵刺激，而II型菌群在高铵条件下则受到抑制（He等，2019；Wu等，2019）。

温度和铵的影响已被分别充分记录。然而，在两者的交叉领域存在一个关键的知识空白，即相互对立的定向选择压力可能产生复杂且具有非加性效应的结果。例如，预测的气候变暖情景表明，耐热的II型甲烷营养菌将大量增殖（Fenibo等，2023），而集约化农业实践中高施用量的氮肥可能同时抑制II型甲烷营养菌（He等，2019）。这提出了一个关键问题：在塑造甲烷营养菌群方面，哪种驱动力占主导地位，还是两者的交互作用导致了新型群落组成和功能响应？此外，温度与铵影响之间冲突的解决不太可能是普遍性的。当地分布的甲烷营养菌群已适应了各自的气候条件，因此温暖气候下的群落可能对复合胁迫因子的响应与温带高季节性地区的群落截然不同。

为弥补这些空白，本研究旨在阐明温度和铵对水稻田土壤中甲烷氧化相互作用的调控机制。具体而言，从三个具有不同气候特征的地区采集稻田土壤，并在不同温度和铵浓度条件下进行培养。实验旨在：（1）评估温度和铵添加对甲烷氧化的影响；（2）评价铵添加对甲烷氧化温度响应的影响；以及（3）表征甲烷营养菌群组成如何响应相互竞争的选择压力。研究结果有望为制定适应气候且低碳排放的农业管理策略提供理论基础。

各章节摘要

采样点描述与土壤采样

土壤样品于2021年11月采集，取自中国不同气候带的三块稻田：（a）三亚（SY_trop）的正性红壤，属热带季风气候，年均温度（MAT）为25.4°C，年均降水量（MAP）为1406 mm；（b）长沙（CS_sub-trop）的铁红壤，属亚热带季风气候，MAT和MAP分别为17.5°C和1577 mm；（c）通江（TJ_temp）的暗色潜育土，位于

温度与铵添加对甲烷氧化的影响

头空间CH₄浓度的时间变化见图1。在所有处理中，随着培养温度的升高，甲烷氧化速率加快（图1a、c、e）。在15°C时，仅发生部分氧化，至培养结束时累计CH₄消耗量分别达到15.1%（SY_trop）、17.3%（CS_sub-trop）和23.5%（TJ_temp）。在25°C和35°C时，CH₄分别在第7天和第5天被完全消耗。此外，铵添加延迟了CH₄氧化在

温度对甲烷氧化的调控

在所有处理和土壤中，较高培养温度下较短的延滞期（图1）表明热输入对甲烷营养菌活性具有快速的刺激效应。这种快速响应与较高温度下酶活性的普遍增加一致（Gonzalez等，2015；Nottingham等，2016），并进一步得到*pmoA*基因丰度增加（图3）和群落丰富度升高（参见Chao1指数；图5）的佐证。15°C下的甲烷氧化受到强烈

结论

本研究的结果为温度和铵影响对比气候条件下三种代表性稻田土壤中甲烷氧化的机制提供了新的见解。在所测试的短期培养温度范围内（15–35°C），尽管温度对甲烷氧化启动具有显著影响，但甲烷营养菌的最大甲烷氧化能力（V_max）仅表现出轻微差异。三种土壤之间< />_max的差异可能

CRediT作者贡献声明

李华斌（Huabin Li）：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，调查，形式化分析，数据整理，概念化。胡金利（Jinli Hu）：写作——审阅与编辑，调查，数据整理。苏荣林（Ronglin Su）：写作——审阅与编辑，数据整理。吴贤（Xian Wu）：写作——审阅与编辑，数据整理。戴雨松（Yusong Dai）：调查，数据整理。Niklas J. Lehto：写作——审阅与编辑，验证。林姗（Shan Lin）：写作——审阅与编辑，验证，资源提供。王岩（Yan Wang）：写作

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到湖北省科技创新专项基金（2021BCA156）和中国国家留学基金管理委员会（资助编号：202406760003）的资助。

Huabin Li（李华斌）|Jinli Hu（胡金利）|Ronglin Su（苏荣林）|Xian Wu（吴贤）|Yusong Dai（戴雨松）|Niklas J. Lehto|Shan Lin（林姗）|Yan Wang（王岩）|Ronggui Hu（胡荣贵）