研究简介：稻田氮肥利用率低（20–40%），主要通过反硝化损失；DCD通过抑制AOB延缓NH₄⁺氧化。周丛生物膜（藻类、细菌等）在稻田中普遍存在，通过调节pH、氧化还原条件影响氮循环。DCD作为硝化抑制剂可减少稻田氮损失，但其与周丛生物膜的相互作用尚不清楚。本研究探讨了稻田系统中常用硝化抑制剂双氰胺（Dicyandiamide,DCD）与周丛生物膜（Periphytic Biofilms）之间的相互作用及其对氮素循环的影响。通过微宇宙实验，研究人员模拟了不同光照条件和DCD施用水平下稻田土壤-水界面的动态变化。研究发现，DCD显著抑制了氨氧化细菌（AOB）的活性，降低了硝化潜力（NP），但高剂量DCD施用反而增加了氨挥发（NH₃volatilization）损失。与此同时，周丛生物膜的存在显著加速了DCD的降解，并通过同化作用减少氨挥发，同时促进了反硝化作用（Denitrification）。研究进一步通过功能基因定量（AOA/AOB amoA、nirK、nosZ）揭示了微生物群落结构与氮循环过程之间的联系。该研究强调了在稻田氮素管理中同时考虑硝化抑制剂与周丛生物膜的重要性，为提高氮素利用效率和减少非点源污染提供了科学依据。

Unisense微电极系统的应用

unisense微电极应用于精确测量土壤-水界面的溶解氧（DO）浓度和氧渗透深度，测试的氧数据揭示了光照和DCD处理对界面氧环境的影响。通过分析相关数据表明光照下DO显著升高（藻类光合作用），DCD通过减少生物膜呼吸作用间接提高DO。关联DO与硝化潜力（NP）的关系：高DO促进AOB活性，但DCD的抑制作用占主导。

实验结果

探究了双氰胺（DCD）与稻田系统中附生生物膜的相互作用及其对氮循环的后续影响。附生生物膜在光照条件下发育，改变了稻田的理化环境，并加速了DCD的降解。同时，DCD的施用通过直接和间接作用促进了附生生物膜的发育。DCD的应用增加了铵态氮（NH₄⁺）的保留，但也提高了NH₃挥发损失。当存在附生生物膜时，NH₄⁺的同化作用和硝化作用均得到增强。研究结果表明，DCD的施用和附生生物膜的发育及其相互作用对稻田系统的氮循环具有重要影响。在未来的养分管理中，应同时考虑硝化抑制剂和附生生物膜的作用。

图1、土壤-水界面溶解氧（DO）浓度的变化。展示了不同处理下土壤-水界面溶解氧（DO）浓度的动态变化。光照条件下的DO浓度显著高于黑暗条件（p<0.05），且DCD的添加进一步提高了DO水平。这表明附生生物膜的光合作用（光照下）和DCD的化学作用共同增强了氧气的产生与渗透。

图2、不同处理中DCD的分布变化。对比了光照与黑暗条件下DCD的残留量。光照处理中DCD的降解速率更快，且高剂量DCD（10%）的残留量更高。附生生物膜的存在（光照下）显著加速了DCD的分解，可能与微生物活性增强有关。

图3、附生生物膜的叶绿素a（Chl.a）和有机质（OM）含量。图A（Chl.a）：光照条件下藻类生物量先增后降，高剂量DCD（10NL）处理中Chl.a最高，表明DCD可能通过抑制竞争性细菌间接促进藻类生长。图B（OM）：光照处理的OM含量始终高于黑暗条件，且DCD添加进一步提高了OM，可能与生物膜代谢产物积累相关。

图4、上覆水中氮形态的变化。黑暗条件下TN的浓度更高，DCD剂量增加会抑制硝化，导致NH₄⁺积累。光照处理中NO₃⁻-N的浓度更低，因生物膜促进了反硝化作用（NO₃⁻→N₂）

图5、附生生物膜的硝化潜力（NP）与反硝化潜力（DNP）。A)DCD显著抑制硝化潜力（尤其对AOB），光照通过提高DO部分缓解抑制。B)光照条件下反硝化潜力更高，因生物膜提供了有机碳源和缺氧微环境。

结论与展望

双氰胺（DCD）是一种常用的硝化抑制剂，具有减少稻田土壤氮损失的潜力。在稻田系统中，附生生物膜普遍存在于土壤/水界面，并对养分循环产生重要影响。然而DCD与稻田中附生生物膜的相互作用及其对氮循环的后续影响尚不明确。本研究通过微宇宙实验，探究了附生生物膜与DCD的相互作用及其对稻田氮循环的潜在影响。结果表明DCD影响了附生生物膜的发育，而附生生物膜的存在加速了DCD的降解。unisense微电极系统精确测量土壤-水界面的溶解氧（DO）浓度和氧渗透深度，测试获得的数据为解释DCD与生物膜对氧化还原条件及氮转化的协同效应提供了关键证据。研究还发现，DCD的施用主要通过抑制氨氧化细菌（AOB）的活性来降低硝化潜力。较高剂量的DCD增加了NH3挥发损失，但附生生物膜的存在减少了NH3挥发损失，同时促进了反硝化作用。本研究有助于更好地理解稻田中的氮循环过程，并为提高氮利用效率和控制面源污染提供了有益信息。