有机肥部分替代与节水灌溉协同调控土壤微生物降低香稻温室气体排放并提升产量和香气

　　为应对稻田温室气体排放与优质香稻生产的矛盾，研究人员通过对比传统栽培(CK)与有机肥部分替代无机肥结合节水灌溉(IOF+W)模式，发现IOF+W可显著降低CH4 排放(36.95%)和全球增温潜势(31.29%)，同时提升N2 O排放(14.82%)、氮利用率(47.83%)、产量(14.77%)及香气物质2-AP含量(13.78%)，揭示了土壤微生物群落重构对碳氮代谢的关键调控作用，为华南香稻绿色高产栽培提供新策略。

　　

在全球气候变化与粮食安全双重挑战下，稻田作为重要的农业生态系统，既是养活全球半数人口的主粮生产基地，也是甲烷(CH₄
)和氧化亚氮(N₂
O)等强效温室气体的主要排放源。中国作为全球最大的水稻生产国，其稻田温室气体排放量约占农业总排放的40%，其中香稻因其独特的风味物质2-乙酰-1-吡咯啉(2-AP)备受市场青睐，但传统栽培模式下为追求香气品质往往需要大量施肥和持续淹水，这进一步加剧了温室效应。如何破解"高产-优质-低碳"的三角难题，成为当前农业可持续发展亟待解决的科学问题。

针对这一挑战，华南五地(兴宁、南雄、从化、罗定、增城)的研究团队开展了一项为期两年的田间试验，系统比较了有机肥部分替代无机肥结合节水灌溉(IOF+W)与传统栽培(CK)对香稻生产的影响。研究发现IOF+W处理通过重塑土壤微生物群落结构，显著抑制产甲烷菌(Methanogens)的丰度，同时促进硝化细菌(Nitrifying bacteria)和反硝化细菌(Denitrifying bacteria)的增殖。在代谢层面，该处理降低了甲基辅酶M还原酶(Mcr)、甲酰甲烷呋喃脱氢酶(Fmd)和甲基转移酶(Mtr)等CH₄
合成关键酶的活性，而提升了甲烷氧化关键酶——甲醇脱氢酶(Mdh)的活性，形成"抑产促消"的代谢格局，最终使CH₄
排放总量降低36.95%。与之相反，IOF+W处理通过激活硝酸盐还原酶(Nar)和亚硝酸盐还原酶(Nir)等反硝化酶系，使N₂
O排放增加14.82%，但整体全球增温潜势(GWP)仍降低31.29%。

研究采用的主要技术方法包括：基于静态箱-气相色谱法的CH₄
和N₂
O通量监测、高通量16S rRNA基因测序分析土壤微生物群落、实时荧光定量PCR定量功能基因、酶活性检测以及2-AP含量的顶空固相微萃取-气相色谱质谱联用分析。

【CH₄
和N₂
O排放特征】
通过两年五地的同步观测，发现IOF+W处理使CH₄
排放通量峰值降低29.4-58.7%，主要归因于节水灌溉创造的干湿交替环境抑制了严格厌氧的产甲烷过程；而N₂
O排放通量增加12.3-18.6%，与硝化/反硝化菌群活跃度提升相关。

【微生物群落重构】
α多样性分析显示IOF+W处理显著降低微生物群落均匀度(P<0.05)，β多样性分析揭示处理间群落结构存在显著分异(P<0.01)。关键功能菌群中，甲烷杆菌目(Methanobacteriales)相对丰度降低37.2%，而硝化螺菌属(Nitrospira)和假单胞菌属(Pseudomonas)分别增加2.1倍和1.8倍。

【代谢功能变化】
宏基因组分析表明，IOF+W处理使甲烷生成途径(methanogenesis)的KO基因丰度降低28.4%，而甲烷氧化途径(methane oxidation)基因增加19.7%。氮循环相关基因中，氨单加氧酶(amoA)基因表达量提升2.3倍，硝酸盐还原酶(narG)基因增加1.5倍。

【农艺性状与品质】
尽管减少化学氮肥用量20%，IOF+W处理仍通过提高氮偏生产力(47.8%)实现增产14.8%，其2-AP含量提升13.8%，香气评分显著高于对照(P<0.05)。

该研究首次系统阐明了有机-无机配施与水分管理协同调控香稻田微生物碳氮代谢的机制，创建了"减排-增产-提质"三位一体的栽培新模式。实践层面，该技术在中国南方五地的成功验证显示其具有良好的生态适应性，按当前推广面积估算，每年可减少CO₂
当量排放约12.7万吨。理论层面，研究揭示了土壤酶活性与功能菌群的耦联关系，为发展"微生物导向型"精准农业提供了新思路。论文发表在《Journal of Integrative Agriculture》，为全球水稻可持续生产提供了中国方案。