秸秆还田是稻田培肥的常规措施，但其在微观尺度上如何重塑土壤微生物代谢网络、进而耦合驱动砷活化与温室气体排放，长期未获得清晰解析。围绕这一问题，华东师范大学生态与环境科学学院张思宇教授团队联合西交利物浦大学健康与环境科学系陈正教授团队，首次在砷污染水稻土中结合高分辨率微透析与多组学技术，在毫米尺度上系统解析了秸秆分解驱动的砷、碳、氮元素空间分异与微生物代谢响应。
研究团队设计了秸秆与硝酸盐添加的微宇宙实验，基于鲜样直切与原位元素形态分析，在土壤剖面毫米级分辨率下同步监测砷、铁、氮形态变化及功能微生物转录活性。结果发现：秸秆添加显著改变了砷、碳、氮在剖面中的动态分布，在秸秆层上下迅速形成三个功能分化、代谢耦合的微生物活性热点区：（1）秸秆层富集产甲烷古菌与固氮菌，mcrA与nifH基因转录丰度显著正相关，部分宏基因组组装基因组（MAG）中呈现二者共表达；（2）秸秆上层则以好氧甲烷氧化菌与反硝化菌为主导，pmoA与反硝化功能基因丰度协同升高；（3）秸秆下层中厌氧砷氧化菌与反硝化菌占主导地位，aioA/arxA与narG/nirS共存模式显著增强，砷氧化与硝酸盐还原代谢通路在同一MAG中呈现共转录。
图3.土壤剖面砷、碳、氮关键氧化还原基因的空间分布模式
上述发现揭示了秸秆分解在毫米尺度上形成独特的微生物活性热点区，驱动砷、碳、氮的耦合循环在土壤剖面中呈现显著分层。秸秆输入重塑了土壤的氧化还原微梯度，重构了微生物间的代谢互作关系，促进了亚砷酸盐/甲烷氧化与反硝化、以及产甲烷与固氮过程之间的代谢耦合。这一结果挑战了传统基于厘米尺度对土壤过程的认知，突显高分辨率空间解析在精准预测与调控农业措施环境效应中的关键作用。上述发现为真实稻田中秸秆与硝酸盐协同施用的优化提供了机制依据，有助于提升养分循环效率并降低环境风险。
图6.秸秆添加驱动的毫米尺度砷、碳、氮耦合代谢分区
相关研究成果以“Spatially resolved denitrification coupled with methane and arsenite oxidation at the millimeter-scale straw-soil interface”为题发表于美国科学院院刊PNAS。华东师范大学生态与环境科学学院张思宇教授和西交利物浦大学健康与环境科学系陈正教授为本研究的共同通讯作者，华东师范大学博士生赵欣迪和西交利物浦大学博士生王雅琴为共同第一作者，西交利物浦大学博士生张厦（已毕业）、蔡玉佳（已毕业）、舒啸和华东师范大学硕士生李嘉琪为共同作者。该研究受到国家自然科学基金和教育部基础学科与交叉学科突破计划等项目资助。
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来源：生态与环境科学学院
