The Innovation | 水-土界面微生物调控碳排放

导

读

稻田是重要的温室气体排放源，包括二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）等。CH₄作为一种增温效应更强的温室气体，其全球排放量有10%以上来自于稻田。长期以来，稻田中的土壤微生物群落被认为是甲烷生产和消耗的绝对参与者。事实上，除土壤微生物之外，稻田中的水-土界面也存在着物种丰富、数量庞大的微生物聚集体。这种微生物聚集体在稻田生态系统碳循环中起着何种作用？对稻田温室气体排放的贡献有多少？一起听听中国科学院南京土壤研究所吴永红团队怎么说。

图1 图文摘要

稻田中的水-土界面是物质循环、能量流动和信息交换的活跃区。由于光照、氧气和养分相对丰富，水-土界面间上存在大量微生物，包括藻类、细菌、真菌，以及各种无脊椎动物和各种碎屑，统称为周丛生物（periphytic biofilm）。这些周丛生物由微生物自身分泌的胞外聚合物包裹、交织，并黏附了生物碎屑、矿物质（如铁、铝、钙）、营养物质（如氮、磷）等，当以藻类为优势组成时，形成肉眼可见，厚度最高可达5 mm。

图2 稻田水-土界面上的周丛生物

水-土界面是CO₂、CH₄等温室气体在土壤和大气之间交换和运输的重要通道。其中，水-土界面的周丛生物很有可能参与稻田生态系统中温室气体的生产、消耗和运输过程，但目前缺乏相关的系统研究。来自中国科学院南京土壤研究所的相界面过程团队，在我国热带、亚热带和温带水稻种植区分别开展了田间实验，初步估算了不同气候条件下周丛生物对稻田温室气体排放的贡献量，揭示了周丛生物影响稻田碳转化和碳排放的机制。 

1.周丛生物增加了稻田CO₂固定量和CH₄排放量

研究对整个水稻生长季中稻田的CO₂和CH₄通量进行了观测。结果发现，在有周丛生物存在的稻田中，CO₂固定量和CH₄排放量均高于无周丛生物附着的稻田。在热带、亚热带和温带稻田中，周丛生物贡献的CO₂累计固定量分别为79、211和118 kg ha^-1，周丛生物贡献的CH₄累计排放量分别为4.8、101和4.3 kg ha^-1（图3）。

图3 稻田周丛生物贡献的CO₂固定量和CH₄排放量

2.稻田周丛生物是大气CO₂向CH₄的转换器

周丛生物中的藻类可通过光合作用固定大气中的CO₂，形成有机物。被固定的有机碳会随着藻类代谢和死亡而被释放到表层土壤中，为土壤异养微生物的生长、代谢提供丰富的有机物来源。其中，在厌氧的土壤中，这些有机物可以被微生物降解，通过水解、酸化和乙酰化等反应生成乙酸、CO₂和氢气（H₂）。而土壤中的产甲烷菌则可以进一步利用这些小分子产物合成CH₄，并通过水-土界面排放到大气中。

整体来看，周丛生物就像一个生物转换器，将大气中的CO₂固定到稻田中，这些被固定的碳经过微生物的系列转化，最终以CH₄的形态排放到大气中。

3.周丛生物活动会加剧稻田对温室效应的贡献

CH₄是一种比CO₂更强效的温室气体，其导致全球变暖的潜势是CO₂的25倍。如果将周丛生物增加的CH₄排放量换算为CO₂当量，那么在温带稻田中，周丛生物的存在会使稻田的有效CO₂排放当量减少；在亚热带和热带的稻田中，周丛生物的存在会使稻田的有效CO₂排放当量增加，反而加剧了稻田对温室效应的贡献。

总结与展望

水-土界面微生物（周丛生物）在稻田碳转化和碳排放过程中起着重要作用。在对稻田生态系统进行碳循环模拟和预测时，应充分考虑界面微生物的作用。未来，通过人为调控界面微生物（如优化其物种组成和代谢活性）有望定向改变水-土界面碳循环过程。该研究为增加稻田生态系统的碳汇，实现碳减排和碳中和提供了新思路。

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(21)00117-X

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第一期以Report发表的“Contribution of periphytic biofilm of paddy soils to carbon dioxide fixation and methane emissions” (投稿: 2021-08-06；接收: 2021-11-23；在线刊出: 2021-11-26)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2021.100192

引用格式：Wang S., Sun P., Zhang G., et al. (2021). Contribution of periphytic biofilm of paddy soils to carbon dioxide fixation and methane emissions. The Innovation. 3(1),100192.

作者简介

吴永红，中国科学院南京土壤研究所研究员，博士生导师；国家杰出青年基金、 国家优秀青年基金项目获得者。科技部青年“973”项目首席科学家，中国科学院“卓越青年科学家”，江苏省“333高层次培养工程”中青年科技带头人。主要从事基于微生物聚集体（自然生物膜、周丛生物）的土-水界面生态过程与调控研究。发表学术论文60余篇，英文专著1部，获授权发明专利12项，其中5项发明专利和1项实用新型专利已成功转让（或许可）。

Web: http://www.issas.cas.cn/yjsjy/dsjj/bssds/201404/t20140410_4088181.html

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