【专家视角】中国科学院南京地理与湖泊研究所Nature Geoscience|昼夜氧化还原振荡驱动水生植物根际有氧甲烷产生

传统认知中，甲烷生成严格局限于厌氧环境，而有氧甲烷生成机制长期未被充分解析。本研究通过根际土壤培养与生物地球化学分析，发现无光热作用的水生植物根际，可在无微生物甲烷氧化的条件下持续发生有氧甲烷生成。植物根系昼夜径向释氧引发根际氧化还原振荡，驱动土壤铁矿物循环产生活性氧与铁 (IV) 氧代配合物，介导有机底物去甲基化释放甲烷。研究基于随机森林模型估算，全球水稻根际该途径甲烷年产生潜力为 0.7-3.3 太克，占稻田总甲烷排放的 1.9%-13.2%，揭示了氧化还原驱动的新型甲烷源，为全球甲烷收支与有机碳循环研究提供新视角。

1 科学问题

1. 无光、常温且有氧的水生植物根际，是否存在非生物甲烷生成过程？
2. 根系昼夜径向释氧引发的氧化还原振荡，如何驱动甲烷产生？
3. 该非生物甲烷生成途径的全球贡献与调控机制是什么？

2 研究方案

样品采集与无菌培养：采集水稻、芦苇、苦草、三穗薹草 4 种水生植物根际土壤，经冻干、氯化汞灭菌或伽马射线灭菌处理，模拟昼夜有氧 - 厌氧交替环境黑暗培养，排除微生物干扰。

氧化还原振荡模拟：通过电化学还原与空气氧化交替处理，复刻根际昼夜铁形态转化，监测活性亚铁、活性氧、铁 (IV) 与甲烷浓度动态。

原位观测与机理验证：构建原位根际甲烷分析仪，结合平面光极、荧光成像与电子顺磁共振技术，原位观测根际溶解氧、活性氧与自由基变化；以水铁矿、针铁矿为模型矿物，验证铁氧化还原循环介导甲烷生成的机理。

全球潜力估算：采集中国 108 个稻田根际土壤样本，基于土壤理化性质构建随机森林模型，结合全球稻田数据，量化该途径甲烷生成的全球潜力。

3 结论

1. 水生植物根际普遍存在非生物有氧甲烷生成，该过程依赖昼夜有氧 - 厌氧交替，静态有氧或厌氧环境无显著甲烷产生。
2. 机理明确：夜间土壤铁矿物被还原为亚铁，日间亚铁被根系释氧氧化，产生羟基自由基与铁 (IV) 氧代配合物，攻击含硫、氮甲基有机底物发生去甲基化，甲基自由基质子化生成甲烷。
3. 甲烷生成强度主要受土壤铁反应活性与有机质组成调控，高纬度稻田土壤有机碳与活性铁富集，甲烷生成速率更高。
4. 全球水稻根际该途径年甲烷产生潜力为 0.7-3.3 太克，占稻田总排放的 1.9%-13.2%，对全球变暖贡献约 0.001℃。

研究不足

1. 模型未考虑气候波动、水稻品种差异与根系释氧异质性，结果存在不确定性。
2. 未量化根际甲烷生成与微生物氧化的平衡，净排放通量仍需验证。
3. 仅聚焦水稻根际，滨海、河岸等其他氧化还原动态区的贡献未评估。

研究展望

1. 完善高分辨率数据集，优化模型参数以提升全球估算精度。
2. 揭示氧化还原振荡对生态系统尺度碳矿化与保存的调控机制。
3. 基于该机制优化耕作制度，为稻田甲烷减排提供理论依据。