CSA丨农业农村部环保所保琼莉揭示不同C:N作物秸秆影响水稻土甲烷排放及水稻镉积累的机制

学术 2024-12-13 07:50 广东

论文ID

原名：Application of crop straw with different C/N ratio affects CH4 emission and Cd accumulation in rice (Oryza sativa.L) in Cd polluted paddy soils

译名：施入不同C:N比作物秸秆影响镉污染水稻土甲烷排放及水稻镉积累

期刊：Climate Smart Agriculture

第一作者及通讯作者：保琼莉

DOI: https://doi.org/10.1016/j.csag.2024.100036

本文亮点

豌豆秸秆（低C:N）处理中CH₄排放量大于水稻秸秆（高C:N）处理
豌豆秸秆处理更有利于产甲烷古菌Methanobacterium uliginosum和Uncultured- Methanocellales 的生长
秸秆施入通过影响土壤理化性状进一步影响土壤Cd形态转化
高Cd污染土壤（HP）秸秆施入显著降低根系及地上部Cd含量，但严重抑制了水稻生长
低Cd污染土壤（LP）中水稻秸秆提高了生物量及产量，但仍具有增加稻米Cd含量的风险

摘要

Return straw to field is a common practice for straw utilization. However, effects of crop straw with different C/N ratio incorporation on the CH₄ emission and Cd phytoavailaility inCd-contaminated paddy soils have not been simultanously evaluated. Here, we investigated the impacts of rice straw (RS) and pea straw (PS) incorporation on CH₄ emission and rice Cd available in heavily Cd polluted soil (HP) and lightly polluted soil (LP) through a pot experiment. Results showed that RS and PS significantly increased CH₄ emission in the two soils (p < 0.05). CH₄ emission in PS treatment were greater than that in RS treatment. PS with lower C/N ratio favored to increase soil DOC and SOM (p < 0.05), and promote dominant methanogens of Methanobacteriumuliginosum and uncultured Methanocellales archeaon growth (p < 0.05), which mainly contributed to higher CH₄ emisison.The significant influences of straw application on soil chemical parmeters subsequently affected soil different Cd fractions (p < 0.05). Specifically, straw significantly decreased water soluble+exchangeable Cd and manganese oxides Cd, but significantly increased other Cd fractions in HP soil (p < 0.05); whereas there were nearly opposite trendancies in LP soil. Thus, roots Cd was mainly determined by soil soluble+changeable Cd in HP soil, while it was more likely affected by other Cd fractions except for the soluble+exchangeable Cd in LP soil, thereby reduced Cd transport from roots to stems in both soils. Greater effects of PS were displayed in inhibiting rice growth and reducing organs Cd than RS in HP soil, while higher efficiency of RS treatment on improving rice growth than that of PS was found in LP soil (p < 0.05).The resultscan provide a basis for scientific straw returning in Cd contaminated paddy field, achieving safe rice production and reducing carbon emission.

作物秸秆还田是秸秆利用的普遍做法。然而，综合研究不同碳氮比（C:N）作物秸秆施入对Cd污染水稻土甲烷（CH₄）排放、土壤Cd形态及水稻Cd吸收积累的影响尚缺乏。通过盆栽试验，我们发现：高C:N的水稻秸秆（RS）和低C:N的豌豆秸秆（PS）均显著增加了Cd污染土壤的CH4排放量，其中PS处理的CH₄排放量大于RS处理，其主要原因是PS有利于增加土壤DOC和SOM (p < 0.05)，促进优势产甲烷菌Methanobacterium uliginosum和Uncultured Methanocellales 古菌的生长（p < 0.05），进而增加了土壤CH₄排放。秸秆施入对土壤化学参数如pH、EC及Cd形态等具有显著影响。其中，秸秆施入显著降低了HP土壤中水溶态+交换态Cd和锰氧化物结合态Cd，显著提高了其他形态的Cd含量；而LP土壤中几乎表现出相反的趋势。表明土壤可溶态+可交换态Cd含量的增加是HP土壤水稻根系Cd含量增加的主要原因；而LP土壤的根系Cd更可能受到其他Cd形态的影响。另外，HP土壤秸秆施入显著降低根系及地上部Cd含量，但严重抑制水稻生长；LP土壤秸秆施入促进水稻生长，提高地上部生物量，但仍具有增加稻米Cd含量的风险。研究结果对于镉污染稻田进行科学秸秆还田具有重要参考意义。

材料方法

实验处理及指标测定

实验所用两种不同程度Cd污染的典型水稻土均采自湖南省浏阳市。高污染（HP）和低污染水稻土（LP）Cd含量分别为7.18和0.83mg kg^-1。其他土壤理化性质见参考文献（Bao et al., 2021; 2024）。不同C:N的秸秆选择水稻秸秆（RS，高C:N）和豌豆秸秆（PS, 低C:N），总N含量分别为1.66%和0.67%；总C含量分别为40.32%和47.83%；有机质含量分别为25.0%和20.0%。实验共设6个处理，分别为HP: Ctrl、RS、PS；LP: Ctrl、RS、PS，每处理3个重复。移苗前约1月将秸秆粉末（1%，w/w）施入至装盆的土壤中并保持淹水。传统杂交水稻种子华润2号进行育苗。选择长势一致的6叶幼苗于2022年5月移栽至盆中，在水稻生长期，每周随机调换培养盆位置，其生育期约130天。

CH₄采样及测定：CH₄通量采样静态箱法，GC（安捷伦7890A, CA, USA）测定CH₄浓度，根据文献计算CH₄排放通量（Xu et al., 2016）。

植物样及土壤样品采集与指标测定：收获期采集植物样品，分为根系、茎秆、叶片、穗轴及籽粒，经常规前处理后备生物量及Cd含量等测定。利用不锈钢小刀刮取并收集距离根系1-2 mm的土壤样品作为根际土，‒80 ℃冷冻备微生物测定。采集根区（0-1 cm）土样用于其他指标测定。

土壤理化指标、植物及土壤Cd含量及Cd形态含量测定：以土水比为1：2.5和1：5分别测定土壤pH和EC含量；利用重铬酸钾法测定土壤有机质和可溶性有机碳含量；植物及土壤Cd含量测定同Bao et al.（2024）。不同Cd形态提取参考Krishnamurti and Naidu (2002)。

根际土产甲烷古菌群落多样性分析：Illumina-Miseq高通量测序技术分析产甲烷古菌多样性。用DNA Kit提取土壤微生物DNA，以产甲烷古菌功能基因mcrA引物进行PCR扩增，选择Miseq测序平台（Illumina，San Diego，USA）检测土壤产甲烷古菌多样性和群落结构。原始FASTQ文件经过Trimmomatic质量过滤后，由FLASH软件合并。选择相似度为97%，使用UPARSE对OTU进行聚类。采用RDP Classifier算法（https://rdp.cme.msu.edu/）对各mcrA基因序列进行分类分析。

数据统计分析

采用Origin软件（Version 8.0）进行方差分析，检验各处理间差异的显著性。所有数据以平均值±标准差表示（n = 3）， p < 0.05为差异具有统计学意义。冗余图分析（RDA）显示细菌群落结构与其他参数之间的关系。Spearman相关热图揭示有机质、土壤和水稻参数之间的相关关系。

主要结果

1.RS和PS对Cd污染土壤CH₄排放的影响及产甲烷菌群落的响应

两种秸秆处理均显著增加了不同程度Cd污染土壤的CH₄排放，且PS处理中CH₄排放量大于RS处理（图1a）。RS和PS均显著增加了土壤有机质（SOM）和可溶性有机碳（DOC）含量（图2c, d），其中PS处理的DOC和SOM增幅大于RS处理，特别是HP土壤，并与CH4排放量显著正相关。PS具有更低的C/N比，适合土壤微生物分解和矿化，从而更大幅度地提高了土壤DOC和SOM含量。

土壤Cd污染显著降低了产甲烷古菌α-多样性（图1b）。NMDS分析显示，两种土壤的产甲烷古菌群落结构在HP和LP土壤之间、在Ctrl和秸秆施入处理之间以及在RS和PS处理之间均存在明显差异（图c, d）。因此，土壤Cd污染程度、秸秆施入及秸秆类型对产甲烷古菌群落结构均有影响。Pearson相关分析发现，Methanobacterium uliginosum和Uncultured-Methanocellales古菌与CH₄排放呈显著正相关，表明其对土壤CH₄产生具有重要贡献。HP土壤中产甲烷菌群落结构与土壤Cd形态高度相关，RS和PS施入使其相关性减弱，表明HP土壤产甲烷菌群落对重度Cd污染具有较强的耐受性，这可能是HP土壤CH4排放量较高的原因之一。而LP土壤中产甲烷菌群落的响应更多地与土壤理化指标相关，包括DOC、SOM、土壤pH等（图1e）。

图1. 不同C:N秸秆施入对Cd污染土壤CH₄排放（a）及产甲烷古菌多样性和群落结构的影响（b-e）

2.RS和PS施入对两种土壤Cd形态和水稻Cd吸收、转运的影响

RS和PS显著降低了HP土壤中水溶性和交换性Cd及锰氧化物结合态Cd，但不同程度地增加了其他形态Cd含量，而LP土壤中则几乎相反（图2e， f）。水稻器官Cd与土壤pH、EC、SOC和DOC正相关，而与除残渣态Cd之外的其他形态Cd呈负相关关系（p < 0.05）。

施入RS和PS显著降低了水稻对Cd的吸收及向茎、叶的转运，但促进了LP土壤中茎、叶Cd向穗轴及籽粒的转运，使籽粒Cd含量增加25%（图2j）。土壤pH值是影响金属有效性的主要因素，RS和PS显著提高了两种土壤的pH值（图2a），且土壤有效Cd含量与pH值呈显著负相关（p < 0.05）。同时，RS和PS均显著抑制了HP土壤水稻生长，但促进了LP土壤中水稻生长（图2g, h），表明不同C:N秸秆施入对水稻生长的效应受土壤Cd污染水平的影响。

图2. 不同C:N秸秆施入对Cd污染土壤pH（a）、电导率（b）、可溶性有机碳（c）、土壤有机碳（d）、不同Cd形态含量（e, f）、水稻生物量（g, h）及各器官Cd含量（i, j）的影响

3.多元回归分析揭示CH₄排放通量、根系Cd及籽粒Cd含量的主要决定因素

我们假设CH₄总排放量是由Pearson相关分析得到的与CH₄排放总量具有显著相关的因子决定。以CH₄总排放量为因变量，以这些因素为自变量，建立多元线性回归模型（方程1）。表明Methanobacterium uliginosum和Uncultured-Methanocellales及土壤SOM含量解释了CH₄排放通量的60%。

以籽粒Cd为因变量，以与籽粒Cd显著相关的因子为自变量，建立基于籽粒Cd的多元线性回归模型（方程2）。表明95%以上的籽粒Cd是由根系吸收的Cd以及向茎、叶及籽粒的转运决定。

假设根系Cd含量由这些与其具有显著相关性的土壤因子及不同形态Cd含量决定，以根系Cd和这些影响因子分别作为因变量和自变量，建立多元线性回归模型（方程3），这些变量的变化解释了根系Cd含量变化的98.2%。表明根系中98%的Cd是由土壤化学参数及不同形态Cd含量决定的。

Y(CH4 total flux) = 458.14 + 322.50 × [Methanobacterium uliginosum relative abundance] + 90.56 × [uncultured Methanocellales archeaon relative abundance ] - 64.64 × [OrgM] - 2.49 × [Resi] - 198.11 × [Roots-Cd] + 318 × [Grains-Cd],R²= 0.589** （1）

Y(Grain-Cd) = -0.11 + 0.039 × [Roots-Cd] - 0.0088 × [Stems-Cd] + 0.29 × [Leaves-Cd] + 0.19 × [Rachises-Cd] - 0.016 × [TFs/r], R² = 0.964*** （2）

Y(Root-Cd) = 1.98 + 0.30 × [soil-pH] - 7.96E-04 × [EC] - 0.36 × [OrgM] + 0.0054 × [DOC] + 0.020 × [WS.E] - 0.082 × [CB] + 0.0034 × [MOB] + 0.044 × [AIOB] - 0.027 × [Resi], R² = 0.982*** （3）

结论

RS和PS施入显著增加了Cd污染土壤的CH₄排放，且PS处理的CH₄排放量大于RS处理。相同处理下HP土壤CH₄排放量远大于LP土壤。其主要原因是PS有利于增加土壤DOC和SOM (p < 0.05)，促进优势产甲烷古菌Methanobacterium uliginosum和Uncultured-Methanocellales的生长（p < 0.05），进而增加了土壤CH₄排放。RS和PS显著抑制了HP土壤中水稻的生长，降低了Cd从根到地上部的吸收和转运。在LP土壤中，RS和PS均显著提高了水稻地上部生物量，但对水稻产量的影响则相反；同时，两种秸秆均显著降低了根系Cd及向茎、叶的转运，但增加了籽粒Cd累积。综上所述，秸秆施入显著促进土壤CH₄排放，以PS处理及HP土壤更明显。对于HP土壤，秸秆施入显著降低水稻对Cd的吸收及转运，但严重抑制水稻生长；对于LP土壤，秸秆施入显著促进水稻生长，提高了地上部生物量，但仍具有增加稻米Cd含量的风险。因此，在不同Cd污染程度的水稻土中实施秸秆还田措施时，必须综合考虑秸秆类型、土壤污染程度、土壤性质等因素。

作者简介

第一及通讯作者：保琼莉副研究员

农业农村部环境保护科研监测所重金属生态毒理与污染修复创新团队副研究员，硕士生导师，主要研究领域包括农田土壤重金属污染修复与安全利用、污染物在植物-土壤系统的迁移转化特征及微生物互作效应机制。近年来，利用环境科学、土壤学、植物生理学及微生物分子生态学等学科交叉手段，以水稻污染物胁迫为研究对象，重点研究外源褪黑素对污染物胁迫的缓解效应及生理、分子及微生物学作用机制，相关成果发表在Journal of Hazardous Material、Environment International、Food Chemistry、Chemosphere及Journal of Environmental Management等环境领域高因子期刊。共发表研究论文40余篇；第一发明人授权发明专利3项；入选天津市生态分区管控领域青年科技人才；担任《Frontiers in Agronomy》、《Climate Smart Agriculture》、《American Journal of Environmental Science and Engineering》、《农业资源与环境学报》及《三峡生态环境监测》编委及青年编委。担任Critical Review Environment Science and Technology、Journal of Hazardous Material、Science of the Total Environment、Chemosphere及Journal of the Soil and Sediment等环境领域知名期刊审稿人。

论文链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950409024000364

引用：

Bao, Q., Shi, J., Liu, Z., et al., 2025. Application of crop straw with different C/N ratio affects CH4 emission and Cd accumulation in rice (Oryza sativa L.) in Cd polluted paddy soils. Climate Smart Agriculture, 2 (1).

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