近日，来自广东工业大学田海林教授课题组在环境领域国际知名期刊Journal of Environmental Management（IF = 8.0，JCR: Q1）上发表了题为“Co-application of digestate and biochar reduced greenhouse gas emissions in paddy soil through enhanced denitrification and anaerobic methane oxidation”的研究论文。该研究利用昊为泰微生物扩增子绝对定量测序专利技术，系统探究了在稻田中协同施用沼液与生物炭对温室气体排放的影响机制，重点解析了微生物群落结构、关键功能基因动态及其与环境因子的关联。研究不仅验证了生物炭与沼液协同减排的可行性，更通过绝对定量技术揭示了其微生物组学机制，为农业低碳管理提供了理论支撑与实践路径。

中文题目：协同施用沼液与生物炭通过增强反硝化和厌氧甲烷氧化降低稻田温室气体排放

发表时间：2025年4月

本文研究内容摘要图

1. 利用昊为泰Accu16S^®细菌绝对定量测序（V4区域）专利技术揭示了协同施用沼液与生物炭可显著改变土壤微生物群落结构，提升关键功能菌属绝对丰度；

2. 相较于化肥处理，协同施用方案高可使N₂O排放减少80.39%，CH₄排放减少38.15%；

3. 协同处理提高了土壤pH及NO₃⁻-N水平，增强了nosZ基因（N₂O还原）表达，促进反硝化作用；

4. Methylomirabilaceae等厌氧甲烷氧化菌的绝对丰度显著上升，揭示其在减缓CH₄排放中的关键作用；

5. 基于PICRUSt2功能预测分析，明确氮代谢及甲烷代谢通路的主要参与基因及其绝对丰度动态，强化了微生物机制层面的解释力。

温室气体排放动态及其变化趋势

研究者对不同处理的稻田土壤进行了为期45天的培养实验，设置四种处理：100%化肥（CK）、100%化肥+生物炭（D₀U₁₀₀）、50%化肥+50%沼液+生物炭（D₅₀U₅₀），以及100%沼液+生物炭（D₁₀₀U₀）。结果显示，相较于CK，D₀U₁₀₀、D₅₀U₅₀和D₁₀₀U₀的N₂O累计排放量分别下降了80.39%、70.43%和44.99%；CH₄累计排放量分别下降33.87%、21.68%和38.15%。温室气体总当量（GWP）也显著降低，表明协同施用处理具备显著的温室气体减排潜力（图1）。

图1.不同处理条件下N₂O（a）与CH₄（b）动态排放变化曲线。

土壤理化性质变化

协同施用处理显著提高了土壤和淹水层水体的pH，缓解土壤酸化问题。同时，NH₄⁺-N在施用沼液后前期有所增加，但后期逐渐下降；NO₃⁻-N含量在生物炭存在下受到抑制，特别是D₅₀U₅₀处理，在前期NO₃⁻-N显著低于CK，而后期则恢复增长。这些变化反映了生物炭对氮素转化过程的调控作用，尤其是减少反硝化前体NO₃⁻-N的积累（图2）。

图2.稻田土壤与淹水层中NH₄⁺-N（a）与NO₃⁻-N（b）含量变化趋势。

微生物群落结构变化

扩增子绝对定量测序结果显示，协同处理显著提升了细菌门Firmicutes、Chloroflexi及Acidobacteriota的绝对丰度。关键属级微生物如Symbiobacterium、Anaerolinea和Candidatus_Solibacter在D₅₀U₅₀和D₁₀₀U₀中绝对丰度显著提升，表明协同处理可有效促进与反硝化和甲烷氧化相关微生物的富集。

在古菌层面，甲烷产生菌如Methanosarcina和Rice_Cluster_I在沼液处理中绝对丰度升高，但生物炭处理促进了CH₄氧化菌Methylococcaceae和Methylomirabilaceae的增殖，展现出生物炭在减缓CH₄排放中的生态调控作用（图3）。

图3.不同时间点土壤中细菌门（a）、属（b）与古菌门（c）、属（d）绝对丰度变化。

功能基因预测分析

利用PICRUSt2对微生物群落功能进行了预测分析，发现协同处理显著增强了nosZ（N₂O还原）和pmoA（CH₄氧化）基因的表达，分别提高了27%~40%和26%~87%。此外，氮代谢中narG、nifH、nirS等关键基因在D₅₀U₅₀中均显著上升，强化了反硝化和固氮过程，有助于调控氮素流失与N₂O排放（图4）。

图4.基于KEGG注释的氮代谢通路相关功能基因绝对丰度热图。

在甲烷代谢通路中，D0U100和D50U50处理中，mcrA（甲烷生成关键基因）和pmoA（甲烷氧化关键基因）均显著上升，展现了微生物在两个过程中的动态平衡与环境响应（图5）。

图5.甲烷代谢相关通路功能基因丰度热图。

温室气体减排的微生物生态机制解析

研究者进一步构建冗余分析（RDA）与Spearman相关性网络，发现土壤pH与NO₃⁻-N是驱动微生物结构变化的主要环境因子。关键微生物如Symbiobacterium和Anaerolinea在高pH条件下大量富集，为硝酸盐还原菌提供底物并增加N₂O还原酶活性，使N₂O排放减少。

在CH₄调控方面，协同处理显著提升了厌氧甲烷氧化相关菌Methylomirabilaceae、Bathyarchaeia及铁还原菌Geobacteraceae和Clostridium的绝对丰度，验证了亚硝酸盐、硫酸盐及Fe(III)驱动的厌氧甲烷氧化（AOM）机制对CH₄减排的关键作用（图6）。

图6.微生物与环境因子的RDA分析图（a, b）、甲烷氧化微生物绝对丰度图（c-e）及功能基因与环境因子的相关性分析图（f, g）。

本研究利用昊为泰扩增子绝对定量测序专利技术，系统揭示了协同施用沼液与生物炭对稻田温室气体排放的影响机制。通过理化因子分析、微生物群落结构测定及功能基因预测，研究者明确指出该处理可有效提升土壤pH和氮利用效率，降低N₂O和CH₄排放，并通过促进关键微生物和功能基因的富集，实现温室气体减排与土壤健康的双赢目标。

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