In-soil CH4 partial pressure and diffusive emissions in flooded soils: effects of labile carbon and microbial inoculation
本研究引入了一种无植物硅胶线圈系统，旨在证明在测量发生于气泡形成导致这些变量脱节之前，控制淹水土壤中土壤甲烷分压和扩散排放的是不稳定碳源而非产甲烷菌丰度。
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在水稻生长的淹水田地里，一场无声的化学剧目正在地表之下上演。当土壤被淹没时，氧气被隔绝，从而创造了一个特定微生物繁衍的环境。这些被称为产甲烷菌的微生物以腐烂的植物物质和其他有机物为食，并释放出甲烷作为代谢废物。这种气体是一种强效的温室气体，对全球变暖有着显著影响。几十年来，科学家们一直明白，甲烷释放量的多少取决于三个主要因素：微生物可获得的食物量、微生物的数量，以及周围有多少氧气来抑制它们。水稻在这一过程中扮演着复杂的角色；它们的根部会将氧气释放到土壤中，这可以抑制甲烷的产生，但它们同时也为气体逃逸到空气中提供了“高速公路”。为了培育排放更少甲烷的水稻品种，研究人员需要准确了解这些因素是如何相互作用的，但在真实的田间进行研究非常困难，因为土壤从不均匀，且植物本身也会使测量过程变得复杂。
为了理清这些变量，一个研究小组设计了一个完全移除植物的受控实验。他们准备了一系列装有沙土混合物的盆，并灌入水以模拟稻田环境。他们没有种植水稻，而是将柔性硅胶管深插入土壤中。这些管子充当了人工传感器和气体输送系统。由于硅具有气体渗透性，管内捕捉的空气会自然地与周围水中溶解的气体达到平衡，这使得科学家能够在不破坏环境的情况下，测量土壤中积聚的甲烷压力。他们还利用这些相同的管道向土壤中泵入空气或纯氧，以模拟水稻根部通常提供的氧气释放过程。团队创建了三种不同的土壤条件来测试他们的想法：基础对照土壤、混合了马铃薯淀粉（提供易于消化的食物给微生物）的土壤，以及混合了淀粉并加入了一勺富含产甲烷微生物的湖泊沉积物的土壤。
研究人员想要观察增加微生物数量或增加食物是否会改变甲烷的产生和释放量。他们预期含有湖泊沉积物的土壤会有最多的甲烷，因为其初始状态下拥有更大的目标微生物种群。然而，结果却讲述了另一个故事。虽然含有湖泊沉积物的土壤确实含有更多的产甲烷微生物，但土壤中积聚的甲烷气体几乎完全是由食物供应决定的。添加了淀粉的盆产生了高水平的甲烷，无论其初始微生物数量多少。而没有添加淀粉的盆产生的甲烷极少，即使其中含有天然微生物。这一发现表明，在这些淹水土壤中，新鲜且易消化的有机物的可用性是产甲烷的主要驱动力，而非初始微生物的数量。研究人员得出结论，一旦存在基础水平的微生物，如果缺乏足够的食物来维持，仅仅增加微生物数量并不会增加甲烷的输出。
研究还揭示了甲烷从土壤移动到空气中的一个关键限制。长期以来，科学家们一直假设测量土壤中的甲烷压力可以直接告诉他们有多少气体逃逸到了大气中。研究人员发现，只有当甲烷压力相对较低（具体在约16千帕以下）时，这一假设才成立。在这个范围内，溶解在水中的气体稳步向表面移动。但一旦压力超过该阈值，这种关系就失效了。甲烷开始在土壤中形成气泡，快速上升并以爆发的形式逃逸，而不是平稳流动。这种气泡现象（称为“冒泡作用”）意味着土壤可以积聚巨大的甲烷压力，却无法通过研究人员所测量的这种稳步、缓慢的扩散过程将其释放出来。事实上，到实验结束时，所有活跃的盆中土壤压力已攀升至接近60千帕，然而从表面进行的稳步气体流却回落到了接近零。气体只是在等待以突发且未被测量的爆发形式释放出来。
最后，团队测试了氧气如何影响这一系统。通过向硅胶管中泵入空气或纯氧，他们成功降低了土壤中的甲烷压力。令人惊讶的是，泵入纯氧的效果并不比泵入普通空气更有效；两者都将甲烷压力降低到了密封盆中的三分之一左右。这表明，即使是少量的氧气也足以抑制产甲烷微生物，或者促使其他微生物在甲烷逃逸前将其消耗掉。实验证实，硅胶管系统是隔离氧气效应与食物供应效应的强大工具。通过使用这些人工管道，研究人员可以在没有真实植物根部提供自身食物或改变土壤结构的情况下，研究氧气如何在土壤中移动。
这些发现的意义重大，对于培育更好的水稻具有指导作用。研究表明，在筛选低甲烷排放的新水稻品种时，科学家应专注于在甲烷压力升高到形成气泡之前测量土壤状况。如果测量时间过晚，数据将会产生误导，因为此时气体是以爆发而非稳步流动的形式逃逸的。此外，研究指出，在寻找水稻理想性状时，重点未必是根部释放氧气的速度，而是它们的表面积有多大以进行物质交换，以及它们控制这种交换的屏障有多强。该研究还明确了，单纯向农田中添加更多产甲烷微生物，如果食物供应有限，并不一定会增加排放；反之，当新鲜有机碳充足时，微生物的存在并不是限制因素。通过理解这些特定的阈值和驱动因素，科学家可以开发出更准确的模型和育种计划，以减少水稻种植对气候的影响。
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