甲烷在厭氧條件下被氧化的現(xiàn)象（Anaerobic Oxidation of Methane, AOM）在海洋生態(tài)系統(tǒng)中是普遍存在的，其甲烷的消耗量為20-300TgCH4yr-1，占全球大氣甲烷通量的60-80%，對全球甲烷平衡和氣候變化有重要意義。海洋沉積物中AOM與SO42-的還原緊密相關(guān)。相比之下，AOM在陸地生態(tài)系統(tǒng)中的貢獻(xiàn)及其發(fā)生機(jī)制仍不清楚。
稻田是濕地生態(tài)系統(tǒng)中最重要的甲烷排放源之一，也是AOM發(fā)生的熱點(diǎn)場所。同時(shí)，稻田受到高強(qiáng)度的田間管理干擾，使其土壤物理化學(xué)生物特征與自然濕地存在顯著差異。為了探究稻田土壤中的AOM發(fā)生機(jī)制，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所吳金水研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合德國哥廷根大學(xué)，利用同位素示蹤技術(shù)對不同施肥（不施肥，施用豬糞肥，生物炭和氮磷鉀肥）的稻田土壤，添加不同電子接受體（Fe3+, NO3-, SO42-和humic acids）進(jìn)行厭氧培養(yǎng)。結(jié)果表明，添加NO3-使AOM速率增加了20-90%，但其在生物炭處理下與不施肥處理無顯著差異；AOM速率在豬糞肥處理下最大，其次是不施肥，氮磷鉀肥和生物炭處理最低。添加Fe3+使AOM速率在對照和豬糞肥處理下顯著降低，但生物炭和氮磷鉀肥處理下的AOM速率無顯著差異。添加SO42-使AOM速率顯著降低了5-51倍，但生物炭處理與對照相同。Humic acids使AOM速率降低了25-256％。本研究首次證明了有機(jī)電子受體（humic acids）是僅次于NO3-作為AOM的重要驅(qū)動(dòng)力，在稻田土壤中至關(guān)重要（圖1）。而且，施用畜禽糞肥會(huì)在短期內(nèi)增加土壤碳庫和促進(jìn)溫室氣體的排放，但長期施用畜禽糞肥會(huì)減少溫室氣體的排放。本研究表明，氮磷鉀肥處理下甲烷的排放量是不施肥的3.2倍，而豬糞肥和生物炭處理下的甲烷排放量與不施肥處理無顯著差異。由于AOM速率在豬糞肥處理下的稻田土壤中最高，因此，在稻田的可持續(xù)管理中，應(yīng)考慮長期施用畜禽糞肥，有助于減少甲烷的產(chǎn)生和較高的AOM，從而減少甲烷的排放。根據(jù)本文的AOM速率估算全球稻田AOM將有約3.9TgCyr-1的甲烷消耗量，大約是全球稻田甲烷排放量的10-20％。盡管這個(gè)估算帶有很大的不確定性，因此需要更多的研究來進(jìn)一步確定AOM作為稻田中甲烷匯的貢獻(xiàn)性。該研究可為深入解析稻田減排潛力及稻田甲烷關(guān)鍵過程提供理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。
該項(xiàng)研究近期以題為Anaerobic oxidation of methane in paddy soil: Role of electron acceptors and fertilization in mitigating CH4 fluxes發(fā)表在土壤學(xué)期刊Soil Biology and Biochemistry（2020，141：107685）上。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中德國際合作項(xiàng)目、中科院亞熱帶農(nóng)業(yè)研究所青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目等項(xiàng)目資助。
圖1 不同電子受體和施肥對水稻土甲烷厭氧氧化和土壤有機(jī)質(zhì)分解的機(jī)制圖