稻田甲烷氧化响应气候变化新机制

　　

由于人类活动影响，二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）等温室气体排放持续增加，导致全球气候发生显著变化。为了积极应对气候变化，中国在2020年就提出了“力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。准确认识我国主要生态系统在未来气候条件下温室气体排放机制，对于实现碳中和具有重要的理论与现实指导意义。联合国气候变化组织最新的报告表明，CH₄作为重要的温室气体，其增温潜势是CO₂的20倍（IPCC, 2023）。稻田生态系统作为最主要的人工管理湿地，是一重要的CH₄源。我国水稻种植面积约3千万公顷，约占全球20%。深入理解未来气候变化背景下我国稻田土壤CH₄循环机理，将有助于提出稻田湿地减排或负排放的管理模式和方案，对我国实现“双碳”战略目标具有重大的现实意义。

2023年5月23日，浙江大学生命科学学院程磊教授团队在 Global Change Biology上发表题为“Coupled anaerobic methane oxidation and metal reduction in soil under elevated CO₂”的研究论文。课题组利用一长期水稻 FACE（Free Air CO₂ Enrichment）研究平台（图1），结合室内培养和野外大田实验，通过前后长达近十年的努力，阐述了AOM响应大气CO₂浓度升高的微生物生态学机理。

图1：水稻FACE研究平台。引用自Xu et al. Science Advances, 2020

研究发现，大气CO₂浓度升高通过促进稻田土壤中存在的一种CH₄氧化古菌Candidatus Methanoperedens nitroreducens的生长和代谢，进而提升其介导的AOM与铁/锰氧化物还原耦合反应，最终导致土壤产生的CH₄一部分被直接厌氧氧化而消耗（图2）。传统观念认为，稻田生态系统长期处于厌氧环境，有利于CH₄的产生；团队的前期研究结果也表明，大气CO₂浓度升高会降低土壤氧化还原电势，促进铁/锰氧化物还原与氧化微生物活性，并促进土壤原位CH₄产生（Cheng et al. Ecology Letters, 2010；Xu et al. Science Advances, 2020）。因此大量前期研究结果认为全球稻田生态系统，特别是我国稻田，在未来气候变化条件下是大气CH₄一个重要的源。团队研究结果进一步发现，在未来大气CO₂浓度升高的情景下，稻田土壤CH₄产生量的近20%能够被土壤中铁/锰氧化物厌氧氧化。团队的研究结果表明，尽管仍然需要更多实验与模型验证工作，未来气候变化条件下我国稻田土壤CH₄排放可能会低于预期的估算。团队的研究有望为我国提出在未来气候条件下稻田湿地CH₄减排的管理模式提供了一定的科学依据，同时也表明全面评估碳循环与气候变化之间的反馈可能需要考虑天然湿地和稻田土壤中CH₄和金属循环的耦合作用。

图2：微生物介导的稻田生态系统中甲烷循环响应大气CO₂浓度升高的概念性框架

浙江大学生命科学学院为论文第一作者和通讯作者单位，程磊教授和实验室博士后肖璟博士为该论文的共同通讯作者，程磊教授实验室博士后徐陈超博士为本文第一作者，张乃方博士、张凯杭博士和李树瑶博士为共同一作，夏晴博士、博士研究生梁懋君、雷韦磊、何俊攀以及研究助理陈改苹作为共同作者参与了此项工作；本研究得到了中科院南京土壤所朱建国研究员大力支持，同时也得到了海南大学葛成军教授、中科院北京大气物理所郑循华研究员、北卡州立大学S. Hu教授、杨百翰大学RT Koide 教授和加州大学伯克利分校MK Firestone 教授的合作与支持。该研究受到国家自然科学基金委杰出青年科学基金项目、重大研究计划培育与集成项目、中央高校基本科研业务费专项资金、土壤与农业可持续发展国家重点实验室和浙江大学2030生态文明会聚计划等资助；徐陈超博士受基金委青年科学基金等项目支持。

原文链接：http://doi.org/10.1111/gcb.16763