在不同土壤湿度条件下，铜如何影响双氰胺对硝化作用的抑制效率？

《Ecotoxicology and Environmental Safety》：How does copper influence the nitrification inhibition efficiency of dicyandiamide under varying soil moisture levels?

硝化抑制剂DCD与铜（Cu）协同作用对土壤硝化抑制及N?O排放的影响研究。在海南大学实验站通过30天实验室培养，比较不同处理（CK、尿素、尿素+DCD、尿素+Cu、尿素+DCD+Cu）在60%和100%土壤湿度条件下的硝化抑制效果和N?O排放。结果表明：联合应用DCD和Cu显著提高硝化抑制率（最高达122%），降低氨保留效率（ARE）提升46%，同时减少N?O排放41%。土壤湿度显著影响硝化抑制（饱和条件下抑制率提高203%）和N?O排放（饱和条件下排放降低62%）。机制分析表明，Cu通过毒性作用抑制微生物酶活性（如AOB的AMO酶），降低土壤pH，协同DCD抑制硝化过程，减少NO??积累，从而抑制反硝化作用，最终降低N?O排放。研究揭示了湿度-微生物毒性-硝化抑制-NO??-N?O排放的耦合机制。

　　### 硝化作用与农业系统中的氮损失及污染

在农业系统中，硝化作用是氮（N）损失和相关污染的重要因素。硝化过程将铵（NH??）转化为硝酸盐（NO??），这一过程可能导致土壤中氮的流失，进而对环境造成负面影响。为了减少这种损失，人们常常使用硝化抑制剂（NIs）来控制硝化速率。其中，二氰胺（DCD）是一种广泛应用于农业的硝化抑制剂，它能够有效抑制硝化过程，从而减少氮的损失和污染。然而，DCD的硝化抑制效果在不同土壤湿度条件下可能有所变化，而铜（Cu）作为另一种可能增强DCD效果的元素，其具体作用机制仍不完全明确。

本研究旨在评估DCD和Cu在不同土壤湿度条件下（饱和和非饱和条件）对硝化抑制和氧化亚氮（N?O）排放的影响。通过比较单独使用DCD、Cu，或两者的组合应用，与仅使用尿素或对照（CK）的处理，研究人员发现，尿素处理的铵保留效率显著低于CK、DCD、Cu和DCD与Cu的组合处理。而在硝化抑制率方面，DCD与Cu的组合处理、Cu处理和DCD处理分别比尿素处理提高了122%、71%和52%。此外，N?O的排放量在DCD、Cu、DCD与Cu的组合处理和CK处理中分别比尿素处理降低了21%、24%、41%和62%。这些结果表明，DCD和Cu能够有效抑制硝化作用，并显著减少N?O的排放，这在农业氮管理中具有重要的应用价值。

### 硝化抑制与氮利用效率

氮的利用效率（NUE）是衡量农业氮肥使用效果的重要指标。低NUE不仅导致农业产量损失，还带来环境和经济上的负面影响。全球约85%的氮肥在农业生产中被损失到环境中，仅有少量用于作物生长。在某些农业系统中，如中国的海南省，每年的氮输入量约为762 kg N/ha，其中约484 kg N/ha被浪费，氮利用效率仅为36%。这一现象在该地区及其他类似的农业系统中普遍存在。低NUE不仅影响作物产量，还可能增加环境中的氮污染，例如地下水的硝酸盐污染和下游水体的富营养化问题。

在农业实践中，氮肥的施用通常是基于铵（NH??）为基础的，因为它可以直接被作物吸收。然而，过量的NH??在未被作物吸收的情况下，会通过硝化过程转化为NO??。这一过程由不同的微生物群落完成，其中第一步是NH?被氧化为亚硝酸盐（NO??），主要由氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）和共代谢细菌（comammox）完成。第二步是NO??被氧化为NO??，由亚硝酸盐氧化细菌（NOB）或comammox完成。虽然植物可以利用NO??，但当降雨量超过蒸散量时，NO??可能通过淋溶作用流失，造成土壤和水体污染。因此，控制硝化过程是提高NUE和实现可持续农业管理的关键。

### DCD与Cu的协同作用

研究表明，铜（Cu）与DCD可能存在协同作用，从而增强硝化抑制效果。Cu的主要作用机制是通过微生物毒性来抑制硝化过程。它能够破坏细胞膜，抑制酶活性，并诱导氧化应激，从而影响微生物的生长和功能。例如，Cu可以抑制氨单加氧酶（AMO）的活性，进而显著降低硝化速率，这与DCD的作用类似。此外，Cu可能通过化学相互作用与DCD结合，改变其在土壤中的稳定性、移动性和生物可利用性，从而提高其在不同环境下的应用效果。

例如，Wang等人（2022）发现，Cu可以抑制微生物生物量，并改变微生物群落结构，从而增强DCD的硝化抑制效果。然而，也有研究指出，某些情况下，Cu可能降低DCD的硝化抑制效果，这可能是由于微生物已经处于应激状态，导致其对DCD的敏感性下降。此外，微生物群落结构的变化可能使剩余微生物更加耐受。因此，进一步研究DCD与Cu的协同作用对于提高农业中硝化抑制效果具有重要意义。

### 土壤湿度对硝化作用和N?O排放的影响

土壤湿度是影响硝化作用和N?O排放的重要因素。在适宜的土壤湿度条件下，微生物活动和氧气供应达到平衡，硝化作用最为旺盛。然而，当土壤湿度过高时，可能会形成厌氧条件，这对硝化细菌的活性产生不利影响，从而抑制硝化作用。此外，高湿度可能会稀释硝化抑制剂，降低其效果。同时，高湿度条件下的土壤pH值可能降低，这会进一步影响硝化和反硝化微生物的活动和丰度。

另一方面，低湿度条件下的Cu可能更难移动，其主要吸附在黏土矿物和有机质上，这可能增强其对硝化作用的抑制效果。然而，随着土壤湿度的增加，Cu的移动性提高，可能增加其生物可利用性或淋溶风险。因此，研究DCD和Cu在不同土壤湿度条件下的效果，有助于全面评估其在农业中的应用潜力。

### 实验设计与方法

本研究采用30天的实验室培养实验，以评估DCD和Cu对土壤氮转化的影响。实验设置包括五个处理：对照（CK）、尿素（200 mg N/kg土壤）、尿素+Cu（500 mg Cu/kg土壤）、尿素+DCD（10%的氮添加率）以及尿素+DCD+Cu。所有处理在实验开始前均进行了10天的预培养，以确保土壤条件的稳定性。实验期间，土壤湿度通过称重法进行控制，分别设置为60%和100%的持水能力（WHC）。在实验过程中，土壤样本在不同时间点进行采样，以监测NH??、NO??、N?O的浓度变化以及微生物群落和酶活性的变化。

实验过程中，使用Inductively Coupled Plasma–Optical Emission Spectroscopy（ICP–OES）测定土壤中的Cu浓度，并通过质量控制和质量保证（QA/QC）程序确保数据的准确性。对于土壤中氮的可用性，使用2 mol/L KCl溶液提取，并通过比色法测定NH??-N和NO??-N的浓度。此外，使用qPCR技术测定土壤中关键的硝化和反硝化基因和酶的丰度，包括amoA（AOB和AOA）、nirK和nirS（反硝化微生物）以及β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）、亮氨酸氨肽酶（LAP）、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（NAG）和酸性磷酸酶（AP）等。

### 实验结果与分析

实验结果表明，尿素+DCD+Cu处理在不同时间点对NH??-N的保留效率（ARE）显著高于其他处理，包括CK、尿素、尿素+Cu和尿素+DCD。同时，N?O的排放量在尿素+DCD、尿素+Cu、尿素+DCD+Cu和CK处理中分别比尿素处理降低了21%、24%、41%和62%。这些结果表明，DCD和Cu的组合应用在减少N?O排放方面具有显著优势。

此外，实验还发现，土壤湿度对硝化作用和N?O排放具有重要影响。在100% WHC条件下，硝化速率显著低于60% WHC条件下，这可能是由于高湿度导致的氧气供应不足。然而，N?O的排放量在100% WHC条件下反而比在60% WHC条件下更高，这表明高湿度可能促进反硝化作用，从而增加N?O的排放。

### 微生物群落与酶活性的变化

实验进一步分析了DCD和Cu对土壤中微生物群落和酶活性的影响。结果显示，尿素+DCD+Cu处理显著降低了AOA和AOB的丰度，这可能与它们对硝化作用的抑制有关。此外，尿素+Cu处理也显著降低了AOA和AOB的丰度，这表明Cu在抑制硝化微生物方面具有重要作用。

对于酶活性，实验发现，尿素+DCD、尿素+Cu和尿素+DCD+Cu处理均显著降低了BG、LAP、NAG和AP的活性。这表明，DCD和Cu能够通过抑制微生物活性和酶功能，从而减少硝化和反硝化作用的速率。然而，尿素+DCD+Cu处理对这些酶活性的抑制效果最为显著，这可能与其协同作用有关。

### 土壤pH与电导率的变化

土壤pH值在实验过程中也发生了变化。尿素+DCD+Cu和尿素+Cu处理的pH值显著降低，而尿素和尿素+DCD处理的pH值则显著升高。这种pH变化可能是由于Cu的加入导致了酸性条件，从而影响了微生物的活性和功能。此外，土壤电导率（EC）在所有处理中均有所增加，这可能是由于氮肥和抑制剂的加入增加了土壤中的离子浓度。

### 生物与非生物因子对氮循环的影响

通过结构方程模型（SEM）和随机森林（RF）分析，研究人员进一步探讨了生物和非生物因子对氮循环的影响。结果表明，土壤湿度（WHC）是影响硝化抑制和N?O排放的重要因素。高WHC条件下的土壤pH降低，这可能抑制了硝化作用，从而减少了N?O的排放。然而，高WHC条件下的土壤也促进了反硝化作用，导致N?O排放量增加。这表明，土壤湿度在不同条件下可能对硝化和反硝化作用产生不同的影响。

此外，微生物群落和酶活性的变化也对氮循环产生了重要影响。例如，AOA和AOB的丰度与NH??和NO??的浓度呈显著相关，而这些微生物的活性又与N?O的排放密切相关。因此，调控土壤湿度和抑制剂的使用，对于优化氮循环和减少N?O排放具有重要意义。

### 结论与未来研究方向

本研究发现，DCD和Cu在不同土壤湿度条件下均能有效抑制硝化作用，并减少N?O的排放。然而，其效果受到土壤湿度的显著影响。在饱和土壤条件下，硝化抑制率较高，但N?O的排放量也相应增加，这可能是由于反硝化作用的增强。因此，农业实践中应根据目标（是抑制硝化还是促进反硝化）来选择合适的土壤湿度条件。

未来的研究应进一步探讨DCD和Cu的长期应用对土壤微生物群落的影响，以优化其剂量组合并提高其在农业中的可持续性。此外，还需研究不同土壤类型和气候条件下的应用效果，以推广这一技术。通过综合考虑生物和非生物因子的影响，可以更有效地管理氮肥的使用，减少氮的损失和污染，从而实现农业的可持续发展。