中国东北黑土稻田中的温室气体动态：氮肥施用条件下原生动物对甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）排放的调控作用

《Ecological Frontiers》：Greenhouse gas dynamics in Northeast China's black soil paddies: Protozoan regulation of CH 4 and CO 2 emissions under nitrogen input

水稻田原生动物通过代谢网络调节甲烷和二氧化碳排放，氮肥显著降低其多样性并增加气体排放。研究发现，氮肥处理下原生动物群落结构改变导致甲烷和二氧化碳通量分别增加97.45%和80.75%，其作用机制涉及碳分解关键基因（amyA、mcrA、pulA）及共生微生物调控。研究为稻田氮肥优化和碳中和农业管理提供新依据。

　　

罗静|韩梅|曹亮子|周盼|于克新|赵玉婷|唐静|王文远|潘旭明|姜本超|严清云|李杜仲|孙世晨|李建业|王丽

哈尔滨师范大学生命科学与技术学院原生动物实验室，中国哈尔滨150025

摘要

稻田是甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）排放的主要来源，对全球气候变化有着显著影响。然而，作为土壤微生物群关键组成部分的原生动物在调节稻田系统温室气体排放中的作用机制仍不明确。本研究探讨了在氮肥施用条件下，原生动物如何影响CH₄和CO₂的排放及其背后的机制。宏基因组分析表明，有效磷和硝酸盐氮是影响原生动物群落结构的主要环境因素。氮肥施用会降低原生动物多样性，并增加CH₄和CO₂的排放。在水稻分蘖期，未施用氮肥的稻田中，原生动物多样性增加了7.41%，同时CH₄和CO₂的排放分别减少了97.45%和80.75%。研究发现，原生动物通过参与碳分解的微生物基因来调节温室气体排放。具体而言，原生动物通过一个包含碳固定、分解和能量转换的三级代谢网络动态调节温室气体通量。Symbiodinium KB8物种与关键功能基因（如amyA、mcrA和pulA基因）之间存在显著的正相关关系。本研究为优化稻田生态系统的氮肥管理提供了科学依据，阐明了原生动物群作为土壤微生态关键调节者的生态作用。我们的发现有助于缓解全球变暖、保障粮食安全并维持生态稳定。通过调控原生动物的数量和多样性，可能有助于实现现代农业生态系统的碳中和。

引言

土壤支撑着陆地生物的生存，是碳和氮的主要储存库，同时也是温室气体（GHG）排放的重要来源[1]。每年大约20%的大气CO₂和30%的CH₄来自土壤，其中农业用地占土壤源温室气体排放总量的10%以上[2]。全球人口的快速增长加剧了对粮食安全的压力。水稻作为中国的主食作物，占全国粮食产量的近40%[3]。虽然氮肥施用对提高水稻产量至关重要，但它也是稻田温室气体排放的主要驱动因素[4],[5]。这些系统贡献了全球CH₄排放量的12%-26%[6]，因此迫切需要识别控制温室气体排放的关键因素，阐明其机制并制定有效的缓解策略。

稻田中的CH₄排放受微生物过程的影响，主要包括甲烷生成、CH₄氧化和CH₄运输，这些过程主要发生在2-20厘米的土壤层中。由于持续淹水形成的厌氧环境为甲烷生成菌等厌氧古菌提供了有利条件[7]。这些微生物利用有机物质分解产物（如小分子有机酸、H₂和CO₂）来产生CH₄[8],[9]。其中，mcrA基因编码的甲基辅酶M还原酶亚单位是关键的限制步骤。CH₄氧化可以减少大气中的CH₄排放，而植物通过气孔组织促进CH₄从深层土壤中的快速释放，绕过氧化区从而增加净排放量。氮肥施用通过抑制甲烷氧化菌活性和改变微生物群落结构来改变CH₄的产生与氧化之间的平衡[10]。

一个常被忽视的因素是原生动物在CH₄产生中的作用。作为土壤生物群中丰富多样的成员[11],[12]，原生动物通过捕食作用影响微生物群落[13]，从而间接影响土壤温室气体排放。此外，某些厌氧原生动物直接促进CH₄的产生。在积水稻田中，厌氧纤毛虫常携带内共生甲烷生成菌。这些纤毛虫拥有氢囊体，对厌氧碳代谢至关重要，它们将丙酮酸发酵为乙酸、H₂和CO₂。纤毛虫利用乙酸，而H₂和CO₂被共生的氢化甲烷生成菌（如Methanobacterium, Methanobrevibacter, Methanospirillum, Methanoculleus）用于生成CH₄[14]。然而，原生动物在调节稻田CH₄排放中的作用仍不清楚。因此，研究原生动物与甲烷生成菌的相互作用对于阐明它们在CH₄排放中的作用以及开发基于原生动物的温室气体减排策略至关重要。

土壤呼吸是稻田CO₂排放的主要途径，涉及多种生物、代谢和生化过程[15]。在农业生态系统中，CO₂排放主要由土壤有机物的分解驱动[16]。虽然细菌和真菌是主要的分解者，但原生动物也起到了重要作用，占土壤动物呼吸量的70.0%[17]。原生动物通过自身的呼吸活动直接影响CO₂排放，并通过选择性捕食间接调节微生物群落结构和功能。通过消耗细菌、藻类和有机碎屑，原生动物参与有机物的分解，通过有氧呼吸释放CO₂[18]。此外，原生动物可能通过营养相互作用调节参与碳代谢的功能基因（如lip（脂质降解）、amyA和pulA基因（复杂多糖分解）的丰度，从而影响碳代谢。因此，全面评估原生动物对CO₂排放的影响必须同时考虑它们的直接呼吸作用和对微生物活动的调节效应。

尽管之前的研究探讨了原生动物对CH₄产生的影响，但关于原生动物如何调节稻田中CH₄和CO₂排放的研究仍然较少。氮肥施用如何影响原生动物介导的CO₂和CH₄排放的机制仍不明确。基于此，我们假设不同功能类别的原生动物在稻田温室气体排放中扮演不同角色：耐氧原生动物可能促进CO₂排放，而具有氢囊体的厌氧原生动物可能增强CH₄产生。为了验证这一假设，我们在稻田中设置了两种处理方式：常规氮肥施用（CF）和不施用氮肥（NNF）。我们在水稻生长关键阶段进行了原位监测，以评估原生动物对CO₂和CH₄排放的影响及其对氮肥的反应。本研究旨在阐明氮肥施用对黑土性质和原生动物群落时空动态的影响，以及它们对CO₂和CH₄排放的影响。它旨在揭示原生动物调节温室气体排放的机制，为稻田管理和温室气体减排提供新的见解和策略。

研究地点

本研究在中国哈尔滨市民渚镇的国家现代农业示范园实验站进行（坐标：45°50′38.436″N, 126°51′41.796″E，海拔117米）。土壤类型为黑土（在美国土壤分类系统中属于Mollisols）。土壤性质如下：总氮（TN）2.1 g·kg^?1，总磷（TP）1.5 g·kg^?1，总钾（TK）18.0 g·kg^?1，有效磷（AP）256.2 mg·kg^?1，有效钾（AK）145.3 mg·kg^?1，土壤有机质（SOM）31.5 g·kg^?1。

氮肥对黑土物理化学性质的影响

氮肥（CF）对黑土物理化学性质的影响分析如下：5月、6月和7月，硝酸盐氮在CF处理组分别增加了约7倍（P < 0.01）、3倍（P < 0.0001）和2倍（P < 0.0001），而8月没有显著差异。这表明氮肥显著提高了硝酸盐氮的含量。

土壤环境因素对原生动物多样性的影响

长期以来，土壤物理化学性质被认为是影响土壤原生动物群落的关键因素[27]。研究表明，在东北地区的黑土中，影响原生动物的主要环境因素是有效磷（AP）和硝酸盐氮（NN）。Hou等人的研究[29]表明，氮肥浓度超过20,000 mg/L时具有毒性作用...

结论

本研究旨在探讨原生动物在氮肥施用条件下影响二氧化碳和甲烷排放的机制。结果表明，氮肥施用降低了土壤原生动物多样性，并破坏了土壤生态系统的多样性。不同物种在CH₄和CO₂排放方面的影响存在差异。例如，Naegleria gruberi和Symbiodinium necroappetens与CH₄排放呈显著正相关...

CRediT作者贡献声明

罗静：方法学、写作—审稿与编辑、可视化。 韩梅：可视化、写作—原创性。 曹亮子：资金获取、项目管理、资源协调。 周盼：正式分析。 于克新：数据管理。 赵玉婷唐静：数据验证。 王文远潘旭明姜本超：项目监督。 严清云：写作—审稿与编辑、监督。 李杜仲：项目监督。 孙世晨李建业：项目监督。 王丽：

资助

本工作得到了黑龙江省自然科学基金的支持（PL2025C047）。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢中国科学院海洋研究所的赵峰教授在研究中的协助。