稻田是重要的温室气体排放源，包括二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）等。CH4作为一种增温效应更强的温室气体，其全球排放量有10%以上来自于稻田。长期以来，稻田中的土壤微生物群落被认为是甲烷生产和消耗的绝对参与者。事实上，除土壤微生物之外，稻田中的水-土界面也存在着物种丰富、数量庞大的微生物聚集体。这种微生物聚集体在稻田生态系统碳循环中起着何种作用？对稻田温室气体排放的贡献有多少？一起听听我室吴永红团队怎么说。
图1 图文摘要
稻田中的水-土界面是物质循环、能量流动和信息交换的活跃区。由于光照、氧气和养分相对丰富，水-土界面间上存在大量微生物，包括藻类、细菌、真菌，以及各种无脊椎动物和各种碎屑，统称为周丛生物（periphytic biofilm）。这些周丛生物由微生物自身分泌的胞外聚合物包裹、交织，并黏附了生物碎屑、矿物质（如铁、铝、钙）、营养物质（如氮、磷）等，当以藻类为优势组成时，形成肉眼可见，厚度最高可达5 mm。
图2 稻田水-土界面上的周丛生物
水-土界面是CO2、CH4等温室气体在土壤和大气之间交换和运输的重要通道。其中，水-土界面的周丛生物很有可能参与稻田生态系统中温室气体的生产、消耗和运输过程，但目前缺乏相关的系统研究。来自中国科学院南京土壤研究所的相界面过程团队，在我国热带、亚热带和温带水稻种植区分别开展了田间实验，初步估算了不同气候条件下周丛生物对稻田温室气体排放的贡献量，揭示了周丛生物影响稻田碳转化和碳排放的机制。
1.周丛生物增加了稻田CO2固定量和CH4排放量
研究对整个水稻生长季中稻田的CO2和CH4通量进行了观测。结果发现，在有周丛生物存在的稻田中，CO2固定量和CH4排放量均高于无周丛生物附着的稻田。在热带、亚热带和温带稻田中，周丛生物贡献的CO2累计固定量分别为79、211和118 kg ha-1，周丛生物贡献的CH4累计排放量分别为4.8、101和4.3 kg ha-1（图3）
图3 稻田周丛生物贡献的CO2固定量和CH4排放量
2.稻田周丛生物是大气CO2向CH4的转换器
周丛生物中的藻类可通过光合作用固定大气中的CO2，形成有机物。被固定的有机碳会随着藻类代谢和死亡而被释放到表层土壤中，为土壤异养微生物的生长、代谢提供丰富的有机物来源。其中，在厌氧的土壤中，这些有机物可以被微生物降解，通过水解、酸化和乙酰化等反应生成乙酸、CO2和氢气（H2）。而土壤中的产甲烷菌则可以进一步利用这些小分子产物合成CH4，并通过水-土界面排放到大气中。
整体来看，周丛生物就像一个生物转换器，将大气中的CO2固定到稻田中，这些被固定的碳经过微生物的系列转化，最终以CH4的形态排放到大气中。
3.周丛生物活动会加剧稻田对温室效应的贡献
CH4是一种比CO2更强效的温室气体，其导致全球变暖的潜势是CO2的25倍。如果将周丛生物增加的CH4排放量换算为CO2当量，那么在温带稻田中，周丛生物的存在会使稻田的有效CO2排放当量减少；在亚热带和热带的稻田中，周丛生物的存在会使稻田的有效CO2排放当量增加，反而加剧了稻田对温室效应的贡献。
总结与展望
水-土界面微生物（周丛生物）在稻田碳转化和碳排放过程中起着重要作用。在对稻田生态系统进行碳循环模拟和预测时，应充分考虑界面微生物的作用。未来，通过人为调控界面微生物（如优化其物种组成和代谢活性）有望定向改变水-土界面碳循环过程。该研究为增加稻田生态系统的碳汇，实现碳减排和碳中和提供了新思路。
以上文章来源于TheInnovation创新 ，作者YH Wu & SC Wang
