小麦根系与丛枝菌根真菌对农田CH4和N2O排放的拮抗效应及其调控机制

针对农业土壤温室气体排放机制不明确的问题，南京农业大学团队通过原位根-菌丝分隔技术，揭示了小麦根系与丛枝菌根真菌（AMF）对CH4和N2O排放的拮抗作用：根系促进N2O排放但抑制CH4释放，而AMF作用相反。该研究为农田碳氮循环调控提供了新视角，对制定减排策略具有重要指导意义。

　　

随着全球气候变暖加剧，农业土壤作为甲烷（CH₄）和氧化亚氮（N₂O）的重要排放源，其减排机制成为环境科学领域的研究热点。尽管秸秆还田等农业措施能提升土壤固碳能力，但可能通过改变微生物活动间接增加温室气体排放。更关键的是，作物根系与其共生菌——丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）在土壤碳氮转化中的分工协作关系长期未被阐明，这限制了精准农业减排策略的制定。

南京农业大学农学院的研究团队在《Soil and Tillage Research》发表的研究，创新性地采用原位根-菌丝分隔技术（30 μm和1600 μm孔径膜），结合静态暗箱法气体采集，系统解析了小麦根系与AMF菌丝对CH₄和N₂O排放的差异化贡献。研究基于长期秸秆管理试验田（2008年建立），设置无秸秆免耕（NT-NS）、旋耕秸秆还田（RT-SR）和沟埋秸秆还田（DB-SR）三种处理，通过两年田间观测揭示了根系与AMF通过改变土壤理化性质调控温室气体排放的分子机制。

关键技术方法包括：（1）原位根-菌丝分隔系统（PVC圆柱体埋入土壤）区分根系与AMF效应；（2）静态暗箱法连续监测CH₄和N₂O通量；（3）随机森林模型和偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析关键驱动因子；（4）酶活性测定（甲烷氧化酶、硝化/反硝化酶等）；（5）菌丝长度密度与根系生物量定量分析。

3.1 土壤性质的拮抗效应

研究发现根系与AMF对土壤性质呈现"镜像调控"：根系使pH值升高0.3-0.5单位，AMF则降低0.2-0.4单位；有效磷在根际增加14-22%，而在菌丝际降低18-25%。这种拮抗关系源于二者不同的养分获取策略——小麦根系偏好吸收NO₃^-并分泌OH^-，而AMF优先摄取NH₄⁺并释放H⁺。

3.2 微生物过程的逆向调控

关键酶活性测定显示，根系使甲烷氧化活性提升151%，AMF则抑制59%；硝化酶活性在根际增强199%，在菌丝际降低102%。PLS-PM模型指出，pH和有效磷是核心调控因子：根际碱性环境促进甲烷单加氧酶（pMMO）构象优化，而菌丝际低磷状态限制氨氧化菌生长。

3.3 秸秆还田的放大效应

沟埋秸秆还田（DB-SR）使AMF菌丝密度增加2.1倍，同时将根际与菌丝际N₂O排放差异扩大至275%。值得注意的是，免耕处理因土壤紧实导致根系侧向生长，意外增强了根际对CH₄氧化的促进作用。

这项研究首次量化了作物根系与AMF在温室气体排放中的"此消彼长"关系，为农业管理提供了重要启示：通过选育AMF依赖性品种、优化氮磷配比及采用沟埋式秸秆还田，可协同实现作物增产与减排。未来研究需结合宏基因组技术，进一步解析根-菌丝互作调控的微生物群落结构变化。该成果对实现"双碳"目标下的农业可持续发展具有重要实践价值。