標(biāo)題：Elevated CO? does not necessarily enhance greenhouse gas emissions from rice paddies  

二氧化碳升高并不一定會增加稻田的溫室氣體排放

來源：Science of the Total Environment 810 (2022) 152363

 

摘要核心內(nèi)容

 

本文通過長期田間實驗（13–15年）和全球薈萃分析，挑戰(zhàn)了“大氣CO?濃度升高（eCO?）必然增加稻田溫室氣體排放”的傳統(tǒng)認(rèn)知。研究發(fā)現(xiàn)：  

1. 長期eCO?（≥10年）顯著降低CH?和N?O排放：CH?排放減少11–54%（因土壤Eh升高抑制產(chǎn)甲烷菌活性，根際O?增加促進(jìn)甲烷氧化），N?O排放減少33–54%（因水稻吸氮增強降低土壤NH??-N，抑制硝化作用）。  

2. 短期eCO?（<5年）作用相反：CH?和N?O排放分別增加34%和10%（根系分泌物促進(jìn)產(chǎn)甲烷和反硝化）。  

3. 全球尺度影響逆轉(zhuǎn)：eCO?下稻田溫室氣體排放從短期的凈增加（+0.17 Pg CO?-eq yr?1） 轉(zhuǎn)為長期的凈減少（-0.11 Pg CO?-eq yr?1）。  

 

研究目的

 

1. 揭示eCO?對稻田溫室氣體（CH?、N?O）排放的長期效應(yīng)（≥10年），彌補短期實驗的認(rèn)知空白。  

2. 闡明eCO?影響溫室氣體排放的微生物與生物地球化學(xué)機制（如產(chǎn)甲烷菌vs.甲烷氧化菌活性平衡）。  

3. 量化eCO?持續(xù)時間對全球稻田溫室氣體收支的影響，為氣候模型提供關(guān)鍵參數(shù)。  

 

研究思路

 

1. 長期田間實驗：  

在中國揚州建立全球持續(xù)時間最長的水稻FACE平臺（Free-Air CO? Enrichment，2004–2018），設(shè)置環(huán)境CO?（aCO?）與高CO?（eCO? = aCO? + 200 μmol/mol）處理。  

 

連續(xù)3年（2016–2018）監(jiān)測CH?/N?O排放、土壤理化性質(zhì)（Eh、NH??-N）、微生物基因豐度（mcrA、pmoA）。  

 

2. 室內(nèi)機制驗證：  

測定土壤甲烷產(chǎn)生潛力（MPP）和甲烷氧化潛力（MOP），分析eCO?對微生物活性的影響。  

 

3. 全球薈萃分析：  

整合101篇文獻(xiàn)的795組數(shù)據(jù)，量化eCO?持續(xù)時間對排放、水稻生物量及微生物基因的效應(yīng)。  

 

4. 尺度外推：  

基于薈萃分析結(jié)果，估算eCO?對全球稻田CH?/N?O排放的貢獻(xiàn)。  

 

測量數(shù)據(jù)及其研究意義

 

1. 溫室氣體排放（圖1A,B；表1）

數(shù)據(jù)：長期eCO?下CH?排放降低11–54%，N?O排放降低33–54%。  

 

意義：直接證明長期eCO?對溫室氣體的抑制作用，挑戰(zhàn)短期研究的結(jié)論。  

 

2. 微生物與土壤參數(shù)（圖1C–F；表1）

 

數(shù)據(jù)：  

 

  mcrA基因（產(chǎn)甲烷菌標(biāo)志）豐度↓31–44%，pmoA基因（甲烷氧化菌標(biāo)志）豐度↑6–34%。  

 

  MPP↓54–81%，MOP↑2–54%；土壤Eh顯著升高（如eCO?下-84 mV vs. aCO?下-163 mV）。  

 

意義：揭示eCO?通過提升土壤氧化性（Eh↑）和促進(jìn)甲烷氧化抑制CH?排放。  

 

3. 水稻生物量與氮動態(tài)（表1；圖4）

 

數(shù)據(jù)：eCO?提高分蘗數(shù)、生物量及產(chǎn)量，但NH??-N含量↓23–33%。  

 

意義：證實水稻吸氮競爭減少氮底物供應(yīng)，從而降低N?O排放。  

 

4. 時間效應(yīng)的薈萃分析（圖2–4）

 

 

數(shù)據(jù)：  

 

  eCO?持續(xù)時間≥10年時，CH?和N?O排放分別↓18%和43%（圖2C,D）。  

 

  eCO?對水稻產(chǎn)量和生物量的促進(jìn)作用隨持續(xù)時間減弱（圖4）。  

 

  mcrA/pmoA基因比值隨eCO?持續(xù)時間下降（圖3E,F）。  

 

意義：全球數(shù)據(jù)驗證“時間依賴性效應(yīng)”，即長期eCO?通過減少碳底物供應(yīng)和改變微生物群落平衡降低溫室氣體排放。  

 

Unisense微電極數(shù)據(jù)的詳細(xì)解讀

 

測量目標(biāo)與方法

 

使用丹麥Unisense微電極系統(tǒng)原位測定土壤-水界面[O?]動態(tài)。  

 

步驟：電極校準(zhǔn)后插入根際附近土壤（深度20 mm），以2 mm步長記錄[O?]梯度。  

 

研究意義

 

1. 揭示根際氧化機制：  

eCO?下水稻分蘗數(shù)增加（表1），促進(jìn)O?通過通氣組織輸送至根際，使土壤-水界面[O?]升高。  

 

直接證據(jù)：高[O?]環(huán)境增強甲烷氧化菌（pmoA基因↑）活性，抑制CH?排放。  

 

2. 量化生態(tài)過程：  

微電極數(shù)據(jù)與土壤Eh升高、MOP增加顯著相關(guān)（p<0.01），證明物理傳輸（O?擴(kuò)散）與微生物氧化（CH?消耗）的耦合機制。  

 

3. 技術(shù)優(yōu)勢：  

高時空分辨率（μm級）捕捉根際微環(huán)境動態(tài)，彌補傳統(tǒng)通量測量的機制解釋不足。  

 

結(jié)論

 

1. eCO?對稻田溫室氣體的影響具有時間依賴性：  

短期（<5年）：促進(jìn)排放（碳底物增加刺激產(chǎn)甲烷和反硝化）。  

 

長期（≥10年）：抑制排放（土壤氧化性增強、微生物群落平衡改變、氮競爭加劇）。  

 

2. 微生物機制是核心：  

長期eCO?降低mcrA/pmoA基因比值（圖3），使甲烷氧化超過產(chǎn)甲烷作用。  

 

 

3. 氣候模型需考慮時間尺度：  

長期eCO?可使全球稻田溫室氣體排放從源（+0.17 Pg CO?-eq yr?1） 轉(zhuǎn)為匯（-0.11 Pg CO?-eq yr?1）（圖2E,F），顯著修正氣候預(yù)測。  

 

關(guān)鍵啟示：忽略eCO?持續(xù)時間將高估未來稻田溫室氣體排放，長期實驗數(shù)據(jù)對準(zhǔn)確評估氣候反饋至關(guān)重要。