研究簡(jiǎn)介：稻田氮肥利用率低（20–40%），主要通過反硝化損失；DCD通過抑制AOB延緩NH??氧化。周叢生物膜（藻類、細(xì)菌等）在稻田中普遍存在，通過調(diào)節(jié)pH、氧化還原條件影響氮循環(huán)。DCD作為硝化抑制劑可減少稻田氮損失，但其與周叢生物膜的相互作用尚不清楚。本研究探討了稻田系統(tǒng)中常用硝化抑制劑雙氰胺（Dicyandiamide,DCD）與周叢生物膜（Periphytic Biofilms）之間的相互作用及其對(duì)氮素循環(huán)的影響。通過微宇宙實(shí)驗(yàn)，研究人員模擬了不同光照條件和DCD施用水平下稻田土壤-水界面的動(dòng)態(tài)變化。研究發(fā)現(xiàn)，DCD顯著抑制了氨氧化細(xì)菌（AOB）的活性，降低了硝化潛力（NP），但高劑量DCD施用反而增加了氨揮發(fā)（NH?volatilization）損失。與此同時(shí)，周叢生物膜的存在顯著加速了DCD的降解，并通過同化作用減少氨揮發(fā)，同時(shí)促進(jìn)了反硝化作用（Denitrification）。研究進(jìn)一步通過功能基因定量（AOA/AOB amoA、nirK、nosZ）揭示了微生物群落結(jié)構(gòu)與氮循環(huán)過程之間的聯(lián)系。該研究強(qiáng)調(diào)了在稻田氮素管理中同時(shí)考慮硝化抑制劑與周叢生物膜的重要性，為提高氮素利用效率和減少非點(diǎn)源污染提供了科學(xué)依據(jù)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

unisense微電極應(yīng)用于精確測(cè)量土壤-水界面的溶解氧（DO）濃度和氧滲透深度，測(cè)試的氧數(shù)據(jù)揭示了光照和DCD處理對(duì)界面氧環(huán)境的影響。通過分析相關(guān)數(shù)據(jù)表明光照下DO顯著升高（藻類光合作用），DCD通過減少生物膜呼吸作用間接提高DO。關(guān)聯(lián)DO與硝化潛力（NP）的關(guān)系：高DO促進(jìn)AOB活性，但DCD的抑制作用占主導(dǎo)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

探究了雙氰胺（DCD）與稻田系統(tǒng)中附生生物膜的相互作用及其對(duì)氮循環(huán)的后續(xù)影響。附生生物膜在光照條件下發(fā)育，改變了稻田的理化環(huán)境，并加速了DCD的降解。同時(shí)，DCD的施用通過直接和間接作用促進(jìn)了附生生物膜的發(fā)育。DCD的應(yīng)用增加了銨態(tài)氮（NH??）的保留，但也提高了NH?揮發(fā)損失。當(dāng)存在附生生物膜時(shí)，NH??的同化作用和硝化作用均得到增強(qiáng)。研究結(jié)果表明，DCD的施用和附生生物膜的發(fā)育及其相互作用對(duì)稻田系統(tǒng)的氮循環(huán)具有重要影響。在未來(lái)的養(yǎng)分管理中，應(yīng)同時(shí)考慮硝化抑制劑和附生生物膜的作用。

圖1、土壤-水界面溶解氧（DO）濃度的變化。展示了不同處理下土壤-水界面溶解氧（DO）濃度的動(dòng)態(tài)變化。光照條件下的DO濃度顯著高于黑暗條件（p<0.05），且DCD的添加進(jìn)一步提高了DO水平。這表明附生生物膜的光合作用（光照下）和DCD的化學(xué)作用共同增強(qiáng)了氧氣的產(chǎn)生與滲透。

圖2、不同處理中DCD的分布變化。對(duì)比了光照與黑暗條件下DCD的殘留量。光照處理中DCD的降解速率更快，且高劑量DCD（10%）的殘留量更高。附生生物膜的存在（光照下）顯著加速了DCD的分解，可能與微生物活性增強(qiáng)有關(guān)。

圖3、附生生物膜的葉綠素a（Chl.a）和有機(jī)質(zhì)（OM）含量。圖A（Chl.a）：光照條件下藻類生物量先增后降，高劑量DCD（10NL）處理中Chl.a最高，表明DCD可能通過抑制競(jìng)爭(zhēng)性細(xì)菌間接促進(jìn)藻類生長(zhǎng)。圖B（OM）：光照處理的OM含量始終高于黑暗條件，且DCD添加進(jìn)一步提高了OM，可能與生物膜代謝產(chǎn)物積累相關(guān)。

圖4、上覆水中氮形態(tài)的變化。黑暗條件下TN的濃度更高，DCD劑量增加會(huì)抑制硝化，導(dǎo)致NH??積累。光照處理中NO??-N的濃度更低，因生物膜促進(jìn)了反硝化作用（NO??→N?）

圖5、附生生物膜的硝化潛力（NP）與反硝化潛力（DNP）。A)DCD顯著抑制硝化潛力（尤其對(duì)AOB），光照通過提高DO部分緩解抑制。B)光照條件下反硝化潛力更高，因生物膜提供了有機(jī)碳源和缺氧微環(huán)境。

結(jié)論與展望

雙氰胺（DCD）是一種常用的硝化抑制劑，具有減少稻田土壤氮損失的潛力。在稻田系統(tǒng)中，附生生物膜普遍存在于土壤/水界面，并對(duì)養(yǎng)分循環(huán)產(chǎn)生重要影響。然而DCD與稻田中附生生物膜的相互作用及其對(duì)氮循環(huán)的后續(xù)影響尚不明確。本研究通過微宇宙實(shí)驗(yàn)，探究了附生生物膜與DCD的相互作用及其對(duì)稻田氮循環(huán)的潛在影響。結(jié)果表明DCD影響了附生生物膜的發(fā)育，而附生生物膜的存在加速了DCD的降解。unisense微電極系統(tǒng)精確測(cè)量土壤-水界面的溶解氧（DO）濃度和氧滲透深度，測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)為解釋DCD與生物膜對(duì)氧化還原條件及氮轉(zhuǎn)化的協(xié)同效應(yīng)提供了關(guān)鍵證據(jù)。研究還發(fā)現(xiàn)，DCD的施用主要通過抑制氨氧化細(xì)菌（AOB）的活性來(lái)降低硝化潛力。較高劑量的DCD增加了NH3揮發(fā)損失，但附生生物膜的存在減少了NH3揮發(fā)損失，同時(shí)促進(jìn)了反硝化作用。本研究有助于更好地理解稻田中的氮循環(huán)過程，并為提高氮利用效率和控制面源污染提供了有益信息。