添加磷元素可以减少缺磷水稻土壤中的甲烷（CH4）排放：这主要是由于甲烷生成菌的代谢底物受限，而并未改变I型甲烷氧化菌的优势地位

《Journal of Environmental Sciences》：Phosphorus addition reduced CH4 emissions in P-deficient paddy soils: Methanogens substrate limitation without altering the dominance of type I methanotrophs

　　

张曦|沈苏苏|侯鹏福|王宁|张艳辉|薛丽红|杨林章

中国农业科学院农业资源与环境研究所，农业部农村事务部长江下游农业环境重点实验室，南京 210014，中国

摘要

由甲烷生成菌和甲烷氧化菌驱动的稻田甲烷（CH₄）排放是农业甲烷的主要来源。虽然施肥引起的土壤养分动态和水稻生长调节了甲烷通量，但相对于碳和氮，对磷（P）可用性的机制响应仍研究不足。基于自1980年以来在太湖地区进行的长期无磷稻田实验，我们研究了磷添加对甲烷排放、微生物功能基因和群落的影响，比较了四种处理方式：化学氮肥和钾肥（CNK）与CNK+P、化学氮肥与有机肥结合（MNK）与MNK+P。与CNK和MNK相比，磷添加分别减少了19.9%和35.4%的甲烷排放，且通量变化与分蘖期的mcrA基因呈正相关。与基因不同，甲烷生成菌/甲烷氧化菌的α多样性及群落组成未受磷添加的影响，处理差异主要由历史氮肥类型决定。值得注意的是，磷添加抑制了微生物的磷吸收能力，表现为磷酸酶活性降低以及phoC和phoD基因丰度下降，从而减少了甲烷生成的底物水平，这反映在溶解有机碳和根系分泌的有机酸减少上。此外，磷输入并未改变由历史施肥形成的I型甲烷氧化菌的优势地位，这些甲烷氧化菌具有更强的甲烷氧化效率。磷添加下甲烷排放的减少是由于甲烷生成菌的底物限制，而没有改变I型甲烷氧化菌的主导地位。本研究强调了磷可用性在调节稻田甲烷排放中的关键作用，并提倡优化磷管理以平衡水稻产量和甲烷减排。

引言

甲烷（CH₄）是一种强效的温室气体，参与碳（C）的生物地球化学循环，对大气辐射强迫和氧化能力调节有显著影响（Kirschke等人，2013年）。人为活动贡献了全球约60%的甲烷排放，并预计这一比例还会增加（WMO，2021年）。中国是世界上最大的人为甲烷排放国，农业生产占这些排放量的40%以上（Gong和Shi，2021年；Shen等人，2024年）。在中国广泛种植的水稻每年产生6.21-6.57 Tg的甲烷排放，占中国农业甲烷排放量的42%（Duan等人，2023年；Shen等人，2024年）。因此，减少稻田甲烷排放以应对气候变化已成为全球优先事项。

稻田中的甲烷产生、氧化和排放过程发生在土壤-作物-大气系统中（Nwokolo和Enebe，2025年）。土壤中的甲烷产生是甲烷生成古菌（例如，残渣、根系分泌物）厌氧分解的副产品或最终产物（Bodelier，2015年）。稻田土壤中有两种主要的甲烷产生途径：使用H₂或有机分子作为H供体进行二氧化碳（CO₂还原，以及甲烷生成菌对乙酸的脱甲基作用（Lee等人，2014年）。同时，部分产生的甲烷在好氧土壤中被甲烷氧化菌氧化为CO₂，然后通过植物传输、气泡或扩散释放到大气中（Bosse和Frenzel，1997年）。因此，净甲烷通量取决于甲烷生成菌和甲烷氧化菌活动的平衡，它们的动态相互作用决定了稻田生态系统的排放（Kong等人，2019年）。

越来越多的证据表明，土壤性质、水分和肥料管理以及耕作方式显著影响稻田土壤中甲烷生成菌和甲烷氧化菌的丰度、群落组成和活动（Yuan等人，2018年；Maucieri等人，2021年；Ma等人，2022年；Mo等人，2025年）。最近的荟萃分析显示，氮（N）施用通过促进有机物分解和甲烷生成菌活性显著刺激了酸性土壤中的甲烷排放（Tang等人，2024年），而有机改良剂通过提供底物供应和降低土壤氧化还原电位提高了甲烷排放（Guo等人，2017年）。以往的研究主要集中在氮添加和有机材料对稻田甲烷排放的影响（Guo等人，2017年；Zhang等人，2025年），而磷（P）对甲烷排放的影响研究较少且结果不一。一些研究报道在低磷条件下甲烷排放增加（Sun等人，2018年；Hou等人，2020年），而其他研究则显示影响较小或被抑制（Conrad和Klose，2005年；Sheng等人，2016年）。这种差异突显了磷的作用复杂性，磷可能通过调节底物供应、根系分泌物、电子传输和微生物群落动态来调节甲烷通量（Yao和Conrad，2000年；Lee等人，2014年；Kong等人，2019年）。Gao等人（2022年）发现，土壤缺磷会通过减少甲烷氧化菌的丰度和活性以及改变根际和土壤中的群落结构来抑制甲烷氧化，这与Zheng等人（2013年）的研究结果一致，即磷添加会增加稻田土壤中的甲烷氧化菌丰度。相反，磷添加也可能通过刺激根际甲烷生成菌而增加甲烷产生，但不会相应增强甲烷氧化菌（Gao等人，2020年）。此外，随着磷供应的改善，更多的根系分泌物被释放，这促进了甲烷生成菌的增殖和甲烷产生的底物可用性（Lu等人，1999年；Tokida等人，2011年；Pump等人，2015年；Gao等人，2020年）。尽管关于土壤磷对稻田甲烷排放的影响尚未达成共识，但在碳和氮供应充足的情况下，土壤磷的可用性无疑是甲烷排放的关键调节因素。

诚然，先前的研究记录了磷对甲烷生成菌和甲烷氧化菌的影响，但对于土壤磷添加对稻田中甲烷生成菌和甲烷氧化菌的动态影响知之甚少，尤其是在甲烷排放高峰期。我们在2019年和2020年的连续水稻生长季节对太湖地区进行了野外观察，发现不施用磷会增加两个稻田中的甲烷排放，因为这增加了甲烷生成菌/甲烷氧化菌的丰度比，并刺激根系分泌更多有机酸作为反应底物，尤其是在分蘖期（Xu等人，2023年）。为了进一步验证这一结果，仍需进行现场原位试验，以反证磷添加对稻田甲烷排放及其调节机制的影响。我们假设磷添加可以通过重新平衡甲烷生成菌/甲烷氧化菌的基因丰度、改变其群落结构以及减少底物可用性来减轻甲烷排放。因此，我们的目标是探索土壤磷可用性的变化及相关生化参数，并从机制上评估在磷缺乏的土壤中，水稻生长期间甲烷循环的丰度和群落组成如何响应磷添加，重点关注分蘖期。我们的工作结果可能为优化磷肥施用策略以平衡水稻产量和甲烷减排提供更深入的见解。

部分摘要

研究地点和实验设计

田间实验在中国东部太湖地区的苏州市王亭镇（31°17′N，119°54′E）进行。该地区具有北亚热带季风气候，年平均温度为15.7°C，年降水量为1177毫米。实验地点建立于1980年，设有14种肥料处理方式，属于典型的稻麦轮作系统。长期实验的详细信息见He等人（2021a）。该土壤被归类为黄泥土，具有代表性

甲烷排放

各处理组的甲烷通量范围为0.22至36.9 mg CH₄-C/(m²·h)，在整个生长季节表现出相似的模式（图1a）。超过75%的季节性累积甲烷排放发生在移栽后的65天内，之后每日排放率逐渐下降。CNK和MNK处理组之间的甲烷产生没有显著差异，但磷添加显著减少了早期生长阶段的甲烷通量。CNK处理的甲烷峰值出现在17

长期缺磷土壤中施用磷对甲烷排放的影响

在45年未施用磷后，CNK和MNK处理组的土壤AP浓度降至稳定最低水平（4.50 mg/kg vs 8.11 mg/kg，附录A 表S1），严重限制了水稻的生长和产量。为了克服磷限制，缺磷田中的微生物和根系可能会分泌更多的磷酸酶和根系分泌物来补偿固定化的磷。大约61%-83%来自根系分泌物的碳被转化为甲烷（Aulakh等人

结论

总体而言，与CNK和MNK相比，我们的结果表明，在长期缺磷土壤中施用磷分别减少了19.9%和35.4%的甲烷排放，同时使谷物产量增加了56.1%和69.5%。CNK+P和MNK+P处理组降低了mcrA基因的丰度，但增加了pmoA基因的丰度，证实了分蘖期甲烷通量与mcrA基因之间存在显著的正相关关系。然而，磷添加并未影响α多样性或

CRediT作者贡献声明

张曦：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查。沈苏苏：调查、正式分析。侯鹏福：方法论、数据管理、概念化。王宁：撰写——审稿与编辑。张艳辉：撰写——审稿与编辑、资源管理、方法论。薛丽红：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、资金获取、概念化。杨林章：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2021YFD1700803）和国家自然科学基金（编号：41877087）的支持。