《Applied Soil Ecology》：Root exudate-mediated plant–microbe interactions and next-generation strategies for sustainable nitrogen management in agricultural soils
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这篇综述系统探讨了通过抑制土壤硝化作用来提升氮肥利用效率（NUE）的创新策略。文章比较了合成硝rification抑制剂（SNIs）与植物源生物硝化抑制（BNI）的机理、效能与生态影响，并前瞻性地介绍了智能肥料、纳米载体、精准农业及微生物工程等下一代氮管理技术。核心在于构建一个整合植物生理、土壤微生物生态与先进技术的多尺度框架，旨在同步减少硝酸盐（NO3?）淋溶、氨（NH3）挥发及强效温室气体氧化亚氮（N2O）的排放，为发展可持续农业提供理论依据与技术路径。
土壤氮素流失的挑战与对策
现代农业中氮肥的大量施用并未带来氮肥利用效率（NUE）的同步提升，全球范围内作物系统的NUE普遍低于50%。未被作物吸收的氮素通过硝酸盐（NO3?）淋溶、氨（NH3）挥发和氧化亚氮（N2O）排放等途径损失，导致水体富营养化、大气污染和气候变化。抑制土壤硝化过程，将氮素更多地以铵态氮（NH4+）形式保留在土壤中，是提高NUE和减少环境损失的关键。
土壤氮转化与硝化微生物群落
土壤中的氮素转化复杂，其中硝化作用是将铵态氮（NH4+）转化为硝态氮（NO3?）的核心过程，后者易于流失。这一过程主要由四类微生物驱动：氨氧化细菌（AOB）、氨氧化古菌（AOA）、亚硝酸盐氧化菌（NOB）和完全氨氧化菌（Comammox）。AOB在中性至碱性、高铵环境中占主导；AOA则偏好酸性或贫营养条件；Comammox Nitrospira能在低氧、低铵环境下完成全程硝化。这些微生物群落的组成和活性受土壤pH、温度、水分和有机质等因素强烈影响，决定了硝化速率和氮素损失的潜力。
合成硝化抑制剂（SNIs）：机理与局限
SNIs如双氰胺（DCD）、3,4-二甲基吡唑磷酸盐（DMPP）和硝基吡啶，通过靶向抑制氨单加氧酶（AMO）或羟胺氧化还原酶（HAO）等关键酶来延缓硝化。它们能有效降低N2O排放和硝酸盐淋溶，但其效果高度依赖于土壤性质，如在酸性土壤或AOA占优势的环境中效果较差。此外，SNIs存在环境残留、对非靶标微生物（如Comammox）的潜在毒性以及可能增加NH3挥发的“污染转移”风险，限制了其在有机农业和某些地区的应用。
生物硝化抑制（BNI）：植物的天然智慧
BNI是植物通过根系分泌次生代谢物（如禾本科植物的brachialactone、高粱的sorgoleone、玉米的zeanone等）来抑制硝化微生物活动的天然能力。这些化合物能特异性抑制AOB、AOA或NOB的AMO、HAO和亚硝酸盐氧化还原酶（NXR），从而减少硝态氮的形成。BNI活性受植物基因型、发育阶段、氮素形态（铵态氮促进分泌，硝态氮抑制分泌）及环境胁迫（如干旱）的调控。与SNIs相比，BNI更具生态兼容性，无化学残留风险，但其效果受根系分泌物在土壤中快速降解、吸附以及土壤异质性的挑战。
下一代氮管理技术前沿
面对SNIs和BNI的各自局限，集成多种技术的下一代氮管理策略正在兴起：
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智能肥料与纳米材料：开发能响应根系分泌物、pH或酶活性的控释肥料，以及纳米载体包裹的肥料或抑制剂，可实现养分的精准、按需释放，提高NUE。
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精准农业与传感技术：结合无人机遥感、土壤传感器和人工智能（AI）算法，实时监测作物氮素状况和土壤氮动态，实现变量施肥，减少过量投入。
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植物-微生物互作工程：通过育种或基因编辑增强作物的BNI能力；设计合成微生物群落（SynComs）来调控根际氮循环过程，促进氮素固持。
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多组学与系统生物学：利用代谢组学、转录组学和宏基因组学等手段，深入解析BNI的合成调控通路及根际微生物组的反馈机制，为设计高效作物-土壤系统提供依据。
可持续硝化控制的整合框架
实现农业氮素的可持续管理需要一个系统性的框架，将BNI（植物内在调控）、SNIs（外部化学干预）、土壤理化过滤作用（如pH、质地影响抑制剂有效性）、微生物群落动态以及上述先进技术进行整合。该框架的核心目标是同步优化作物产量、氮肥利用效率并最小化环境代价。
挑战与展望
尽管前景广阔，但下一代氮管理策略仍面临挑战：BNI和SNI的田间效果存在变异性；对BNI化合物在土壤中的归趋、对非靶标有益微生物（如菌根真菌）的潜在影响认知不足；纳米材料的环境安全性与法规监管；以及技术成本与农户接受度。未来的研究需要加强多地点长期田间试验，结合多组学技术和原位传感，深化对植物-土壤-微生物互作的理解。同时，配套的政策支持、经济激励和知识普及对于这些创新技术的规模化应用至关重要。
通过跨学科的协同创新，将生物学智慧与工程技术深度融合，我们有望构建更具韧性、高效和环境友好的农业氮循环管理体系，为实现全球粮食安全与可持续发展目标奠定坚实基础。
