覆盖作物的混入能够保持甲烷氧化的能力，并降低使用塑料薄膜覆盖的高地可耕地中的甲烷排放量

《Journal of Environmental Management》：Cover crop incorporation maintains the methane oxidation potential and lowers methane emissions in plastic-film-mulched upland arable soils

　　

朴时贤 | 申在浩 | 李贤浩 | 李正国

韩国庆北国立大学农业与生命科学学院应用生物科学系，大邱，41566

摘要

塑料薄膜覆盖可以将高地耕地土壤从甲烷（CH₄）的汇转变为源，通过限制气体交换并创造缺氧微环境实现这一转变。我们探讨了在覆盖条件下引入覆盖作物是否有助于通过维持甲烷氧化菌的功能潜力来减少CH₄排放。我们在一块高地玉米田进行了田间实验，比较了使用和不使用薄膜覆盖情况下的氮磷钾（NPK）施肥以及引入覆盖作物的效果。我们结合了CH₄通量测量、甲烷氧化潜力（MOP）测定和宏基因组学分析，以研究CH₄循环微生物群落和功能基因谱。结果显示，在薄膜覆盖下引入覆盖作物（M-CC）可使CH₄总排放量比仅使用NPK施肥（M-NPK）减少55%，同时甲烷氧化潜力（MOP）提高了17%。相比之下，颗粒状甲烷单加氧酶（pMMO）基因在M-CC处理组中没有表现出一致的富集现象。然而，M-CC处理组中与氢化酶活性、单碳（C1）代谢、电子传递和抗氧化生物合成相关的基因丰度有所增加。具体而言，氢化酶基因增加了21%至67%，C1代谢基因增加了14%至55%，电子传递基因增加了28%至54%，抗氧化生物合成基因egtD增加了280%。使用塑料薄膜覆盖并引入覆盖作物既保持了甲烷氧化潜力（MOP），又促进了微生物生物量的增加和代谢灵活性的提升。这些效应都与较低的CH₄排放量相关，且没有影响玉米产量。

引言

继二氧化碳（CO₂之后，甲烷（CH₄）是人为活动导致的第二大重要温室气体，自工业化前以来已占辐射强迫的约30%（IPCC, 2021）。截至2024年，大气中的CH₄浓度已达到约1930亿分之一（ppb），因此继续减少CH₄排放对于限制近期气候变暖至关重要（WMO, 2024）。排水良好的高地土壤是全球重要的CH₄生物汇，其年吸收量估计为20至45太克（Tg）（Saunois等人，2020）。这一汇功能主要由好氧甲烷氧化菌实现，这类细菌利用甲烷单加氧酶（MMO）将CH₄作为主要碳源和能量来源进行氧化。

现代高地作物生产越来越多地依赖塑料薄膜覆盖来稳定产量，尤其是在水分和温度受限的情况下，这种做法因应对气候变化和保障产量需求而得到推广（Liu等人，2014；Steinmetz等人，2016；Zhang等人，2024）。全球约有2000万公顷的土地采用了这种覆盖方式（Liu等人，2014），因为它有助于减少蒸发、抑制杂草生长并调节土壤温度。然而，塑料薄膜覆盖的农艺效益往往伴随着显著的生物地球化学成本。塑料薄膜覆盖会阻碍土壤与大气之间的气体交换，导致CH₄平衡向吸收减少和潜在净排放增加的方向转变。一项针对约150项研究的荟萃分析发现，薄膜覆盖平均可使CH₄吸收量减少16.1%（Yu等人，2021）。

薄膜覆盖导致CH₄氧化减少的主要原因是扩散限制和氧气（O₂）压力。甲烷氧化菌通常需要O₂作为最终电子受体和MMO的辅底物。因此，气体扩散性降低、土壤含水量增加以及塑料薄膜下形成的缺氧微环境会抑制MMO活性，从而限制CH₄氧化（Le Mer和Roger，2001；Tate，2015）。同时，微生物生态学的研究表明，甲烷氧化菌并非严格的CH₄专性微生物；它们还可以通过氢气（H₂）氧化补充能量代谢，通过替代电子传递途径重新定向还原当量，并根据资源可用性灵活利用单碳（C1）中间体（Kits等人，2015；Carere等人，2017；Chistoserdova，2011）。在扩散受限的情况下，CH₄氧化可能依赖于O₂供应以及替代底物和途径的可用性。

引入覆盖作物可能有助于在薄膜覆盖条件下维持CH₄氧化，但其效应和机制仍不明确。与矿物肥料不同，覆盖作物提供了复杂的有机物质，可以刺激异养分解并产生强烈的微尺度氧化还原条件和代谢产物可用性梯度（Keiluweit等人，2017；Lussich等人，2024）。分解过程还会释放发酵产物，包括低分子量C1化合物（如甲醇、甲醛和甲酸）以及H₂，同时重新组织土壤团聚体内的微生物相互作用和资源分配（Tiedje等人，1984）。这些变化可能在扩散受限条件下为甲烷氧化菌提供更多的能量选择，从而在O₂供应间歇性受限时维持CH₄氧化。因此，目前尚不清楚任何缓解薄膜覆盖导致的汇减少的措施是否真正提高了MMO的活性，或者是否表明甲烷氧化菌在气体交换受限的情况下转向了更广泛的代谢策略。

在本研究中，我们提出了这样一个假设：引入覆盖作物可以通过增加与甲烷氧化菌代谢灵活性相关的功能潜力来恢复塑料薄膜覆盖系统中的CH₄氧化，而不仅仅是增加MMO的丰度。为了验证这一假设，我们进行了基于田间的实验，比较了使用和不使用塑料薄膜覆盖情况下的矿物施肥（NPK）与引入覆盖作物的效果。具体来说，我们量化了（i）原位CH₄通量和累积CH₄排放量，（ii）作为功能指标的甲烷氧化潜力（MOP），以及（iii）针对典型甲烷氧化标记物（pMMO和sMMO）和与H₂氧化（氢化酶）、C1代谢和电子传递适应性相关的基因的宏基因组谱。这些测量结果旨在探讨引入覆盖作物是否可以通过超出MMO丰度的功能潜力来维持薄膜覆盖下的CH₄汇功能。

章节摘录

研究地点和实验设计

本研究在韩国晋州的庆尚国立大学实验农场进行，地理位置为北纬35°09′，东经128°05′。该地区气候温和，年平均气温为13.1℃，年降水量为1513毫米。大部分降雨发生在6月至8月的夏季季风期间。农场土壤属于Sangju系列的粉壤土（Dystric Fluventic Eutrudepts）。在土壤表层15厘米内，

甲烷日通量和累积排放

不同处理组的日CH₄通量存在差异（图1A）。在非覆盖系统中，土壤在超过56%的监测期间表现为CH₄汇。覆盖作物处理组的吸收量最高，最小通量为?0.53毫克/平方米·小时，其次是NPK处理组，最小通量为?0.30毫克/平方米·小时。相比之下，覆盖系统在整个监测期间普遍表现出正的日CH₄通量，表明有净CH₄排放

田间规模的CH₄通量和农艺表现

田间测量结果显示，在覆盖系统下存在管理上的权衡。在整个生长季节，非覆盖系统主要表现为大气CH₄汇，而覆盖系统则导致净CH₄排放，这与塑料薄膜覆盖造成的扩散限制一致（图1A和B）。在覆盖系统中，引入覆盖作物显著降低了净CH₄排放量，相对于传统的NPK施肥

结论

我们的研究结果表明，将塑料薄膜覆盖与引入覆盖作物相结合，与仅使用NPK施肥的传统覆盖方法相比，可以提高玉米产量（+51%）并减少CH₄排放强度（?71%）。这一效果与较高的甲烷氧化潜力（MOP）以及与辅助能量和氧化还原代谢相关的基因丰度增加有关，包括氢化酶活性、C1代谢、电子传递和抗氧化生物合成，而不仅仅是pMMO基因的均匀增加。

CRediT作者贡献声明

朴时贤：数据分析、调查、可视化、初稿撰写。申在浩：数据管理、资源获取。李贤浩：概念构思、调查、监督、初稿撰写及修订。李正国：概念构思、数据分析、资金获取、监督、初稿撰写。

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究结果的财务利益或个人关系。

本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府MSIT提供，项目编号RS-2024-00404850和RS-2024-00405420），以及通过大邱RISE中心的区域创新系统与教育（RISE）Glocal 30计划的支持（由韩国教育部和大邱市政府共同资助，项目编号2025-RISE-03-001）。