利用生物质衍生的碳点改良土壤可以增加根际有机质、养分循环以及微生物代谢，从而促进玉米的生长

《Applied Soil Ecology》：Soil amendment with biomass-derived carbon dots enhances rhizosphere organic matter, nutrient turnover, and microbial metabolism for maize growth

本研究以水生植物 Potamogeton crispus 污泥为原料合成高产钙氮共掺杂碳点（Ca,N-CDs），其施用显著促进玉米生长（7.27–71.69%）、光合作用及抗氧化活性（29.49–173.20%），并调控根际微生物群落结构及代谢功能，揭示微生物与土壤养分协同作用机制。

　　

李亚东|韩倩颖|陈丽红楠|雷尚|马聪丽|王宏杰

中国河北省保定市河北大学生态环境学院湿地近自然修复技术重点实验室，071002

摘要

土壤退化问题需要减少农用化学品的使用，而纳米技术的进步为农业带来了新的机遇。本研究利用水生植物Potamogeton crispus的生物质，成功制备出了高产率的钙氮共掺杂碳点（Ca,N-CDs），产率为79.97%。将Ca,N-CDs（100 mg/kg）施用于土壤后，显著促进了玉米（Zea mays L.）的生长（7.27–71.69%）、光合作用以及抗氧化活性（29.49–173.20%）。在根际微环境中，Ca,N-CDs通过调节相关土壤酶的活性，提高了土壤pH值以及有机物和养分（氮和磷）的循环利用。宏基因组分析显示，Ca,N-CDs增强了根际微生物群的多样性和均匀性，特别是增加了古菌、真核生物以及一些有益细菌群（Actinomycetes、Longimicrobia和Micrococcales）的数量。KEGG功能分析结合代谢组学研究结果表明，Ca,N-CDs显著促进了与生长和繁殖相关的微生物代谢过程。微生物群落和代谢的变化与土壤性质呈正相关。共现网络分析表明，Ca,N-CDs改变了玉米根际中的优势微生物，并加强了它们之间以及与土壤性质之间的关联。这些发现为改善土壤健康和肥力、促进可持续农业生产提供了有前景的替代方案。

引言

可持续地生产更多营养丰富的食物以养活不断增长的世界人口是人类面临的重要挑战（Yu等人，2025年）。健康的土壤是食物生产系统的基础，它为作物提供养分、水分和根系支撑，并能缓冲环境条件的影响。过去50年来，全球粮食产量的持续增长在很大程度上得益于农用化学品的广泛使用。根据联合国粮农组织的数据（https://www.fao.org/faostat/en/#data/RFN），2022年农业中施用了约1.0806亿吨氮（N）、4185万吨磷（P）和3545万吨钾（K）肥料。然而，过量使用农用化学品会导致土壤生态系统退化，降低生物多样性并破坏土壤孔隙结构（Xin，2022年）。因此，迫切需要一种环保且可持续的策略来改善土壤健康。

健康的土壤中含有大量微生物和较大生物，以及多种形式的有机物质和营养成分。这些生物之间的相互作用决定了土壤的结构和孔隙度，从而影响水分和养分的保持能力、土壤生物的多样性和生物活性，以及植物养分的有效性（Wang等人，2024b；Xu等人，2025年）。纳米技术的进步为农业带来了新的机遇（Mohammadi等人，2024年；Peng和Qin，2024年），尤其是农业废弃物衍生纳米材料的应用（Zhou等人，2025年）。由于成本高昂和产量较低，大多数纳米材料主要通过叶面喷洒和种子处理方式应用于农业，而土壤施用仍然较为罕见。碳点（CDs）是一种零维碳基纳米材料，具有低成本、高产量、优异的生物相容性和出色的物理化学性质。研究表明，CDs可作为促进植物生长和发育的纳米生物刺激剂（Li等人，2024b；Tavan等人，2025年），以及调控土壤-植物系统中的环境压力（Li等人，2024c；Li等人，2025年）。在土壤施用中，CDs（10–1000 μg/g）对土壤微生物群及其功能具有较高的生物安全性（Liu等人，2015年）。然而，关于CDs是否能够改善土壤健康以促进植物生长，以及其与土壤系统的相互作用机制，目前仍存在知识空白。

先前的研究报道，CDs在土壤中的施用可以通过其与磷酸盐结合形成螯合物来促进难溶性磷酸盐的溶解，并通过增强大豆根瘤的固氮能力和调节根际过程来提高氮的生物有效性，从而促进大豆的生长和抗性（Gogoi等人，2023年；Wang等人，2022年）。Kang等人开发了一种基于CDs的智能材料，该材料在湿度刺激下会发生形变从而自动松散，从而调整土壤的孔隙度和团聚体大小，从而促进玉米幼苗的生长（Niu等人，2025年）。此外，生物质衍生CDs的叶面施用通过固氮微生物和氮酶活性的共同作用，提高了玉米叶部微生物的数量并促进了叶片中的氮固定（Ji等人，2024年）。生物质衍生CDs与甘薯种植的结合通过调节真菌群落促进了红壤中真菌残体的积累（Wang等人，2025年）。另外，CDs的叶面施用还增强了植物的光合作用和根系分泌物（如氨基酸、有机酸和生长素），吸引了有益微生物，促进了土壤中氮的活化（Ji等人，2023年）。因此，我们假设生物质衍生CDs在土壤中的施用有可能通过调节微生物和养分循环来改善土壤养分条件，从而促进植物生长。然而，关于CDs与根际土壤之间相互作用的系统理解仍存在不足。

在本研究中，利用水生植物Potamogeton crispus的生物质制备了钙氮共掺杂碳点（Ca,N-CDs），产率达到79.97%。将Ca,N-CDs施用于土壤后，显著促进了玉米（Zea mays L.）的生长和发育。研究重点关注根际的变化，发现Ca,N-CDs通过调节微生物群落和代谢过程，增强了有机物和养分（氮和磷）的循环利用。本研究强调了生物质衍生CDs与土壤之间的潜在相互作用，为纳米技术在农业中的应用提供了支持。

Ca,N-CDs的制备与表征

Ca,N-CDs是使用Potamogeton crispus的生物质粉末通过水热法制备的。具体步骤如下：将新鲜的Potamogeton crispus植物用去离子水彻底冲洗，然后在60°C下干燥，并使用高通量组织研磨机（CK1000，Thmorgan）进行研磨。将约1.5克粉末加入50毫升去离子水中，在60°C下剧烈搅拌40分钟。随后将混合物转移到特氟龙内衬的不锈钢高压釜中，加热至180°C

Potamogeton crispus衍生Ca,N-CDs的表征

Potamogeton crispus衍生的Ca,N-CDs采用简单的一锅法水热法制备，产率高达79.97%。Ca,N-CDs溶液在日光下呈黄褐色，在365纳米光下显示蓝色荧光（图1a）。透射电子显微镜（TEM）图像显示Ca,N-CDs为单分散的亚球形颗粒，无明显的晶格条纹，平均粒径为2.47纳米（图1b和c）。

讨论

近年来，由于碳点（CDs）具有低成本、高产量、优异的生物相容性和丰富的含氧基团等独特物理化学性质，引起了农业领域研究人员的广泛关注。土壤是作物生长和产量的基础，但农业生产对化学肥料的过度依赖导致了土壤退化和生物多样性的下降（Xin，2022年）。在本研究中

结论

先前的研究已经证明了CDs通过叶面施用和种子处理对植物的影响及其对土壤性质的调节作用。然而，CDs与根际微界面处植物之间的相互作用机制尚不清楚。本研究使用Potamogeton crispus生物质制备了高产率的Ca,N-CDs，并研究了其对玉米生长的促进作用及其机制，重点关注根际微生态的变化

作者贡献声明

李亚东：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，资金获取。韩倩颖：实验研究，数据分析，概念化。陈丽红楠：验证，实验研究。雷尚：方法学研究，实验研究。马聪丽：监督，资源协调。王宏杰：项目管理，资金获取。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：42207032、52070064）、河北大学的高级人才培育计划（521100222012）以及河北省教育厅的科研项目（BJK2024161）的支持。作者感谢白洋淀盆地生态保护与京津冀可持续发展协同创新中心和河北大学生命科学与绿色发展研究所的支持。