双氰胺-苯甲酸抑制剂通过碳氮代谢协同作用增强盐碱稻田土壤保氮能力

《Applied Soil Ecology》：Dicyandiamide-benzoic acid inhibitor enhanced nitrogen retention in saline-sodic paddy soils via carbon and nitrogen metabolic synergy

　　

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  中等剂量的DCDBA通过微生物NH₄⁺固定作用最大程度地提高了氮保留量。
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  中等剂量的DCDBA通过富集硝酸盐还原基因和CAZymes实现了碳氮偶联。
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  土壤无机氮在CAZy依赖的氮保留和N₂O排放之间达到平衡。

引言

氮是水稻生长、发育和产量形成的主要限制因素（Wang等，2021）。在水稻生态系统中，铵态氮（NH₄⁺-N）因其高可利用性和低迁移性，成为作物吸收的优先氮素形式（Zhang等，2025b）。然而，一旦施入土壤，NH₄⁺-N会通过硝化作用迅速被氧化为硝酸盐氮（NO₃^?-N），该过程主要由氨氧化微生物（AOM）驱动（Cai等，2021）。这种转化不仅降低了氮肥利用率，还引发了硝酸盐淋失和氧化亚氮（N₂O）排放，后者是反硝化过程中产生的一种强效温室气体（Ishii等，2011；Liu等，2019）。特别是盐化碱化稻田土壤，其特征为pH值高、钠含量高、结构差和有机质含量低，进一步加剧了这些氮素损失（Liu等，2026）。因此，盐化碱化稻田土壤中的氮肥利用率往往远低于常规稻田土壤，导致更为严重的环境问题（Murtaza等，2017）。因此，开发在该脆弱生态系统中实现高效氮保留和减排的策略，已成为盐碱地可持续农业利用的核心科学问题。

施用硝化抑制剂已被广泛认可为一种有效的农艺措施，可延缓NH₄⁺-N向NO₃^?-N的转化，从而减轻氮素损失（Beeckman等，2018）。在多种化学硝化抑制剂中，二氰diamide（DCD）因能够竞争性结合氨单加氧酶（AMO），从而抑制氨氧化步骤，而被广泛研究（Wakelin等，2014）。然而，DCD在土壤中容易降解，导致有效持效期较短（Amanatidou等，2025）。此外，由于加速的非生物降解和碱性条件下结合亲和力的降低，其在盐化碱化土壤中的抑制效果进一步减弱（Rojas-Pinzon等，2024）。苯甲酸（BA）是一种芳香族小分子有机酸，可用作生物硝化抑制剂（Kumar等，2025；Zhang等，2025a）。与DCD类似，BA也能抑制硝化作用，但其机制尚不明确，且其效果随土壤条件而变化（Issifu等，2024）。

尽管各自存在局限性——DCD稳定性差且BA机制不确定——但它们的互补作用模式表明具有协同潜力。DCD可靶向抑制氨氧化菌，而BA可能调节更广泛的微生物功能，从而在盐化碱化土壤中延长抑制作用（Papadopoulou等，2024；Zhang等，2025a）。此外，BA是一种弱有机酸，可能在微位点周围局部降低土壤pH值，从而减缓DCD的碱性水解，尽管这一机制需要直接实验验证（Rukshana等，2011）。因此，本研究提出了一种新型复合制剂，即二氰diamide与苯甲酸的联合施用（简称DCDBA）。理论上，该组合旨在将DCD的靶向抑制与BA在盐化碱化稻田土壤中可能更广泛且更持久的抑制作用相结合。然而，DCDBA在盐化碱化稻田土壤中的剂量-效应关系和生态阈值尚不明确。因此，确定最佳剂量及其潜在的微生物机制对于其合理施用至关重要。

除了硝化抑制外，土壤氮保留还强烈依赖于微生物碳氮代谢的偶联（Chen等，2026；Xin等，2019）。微生物对铵的同化和固定需要充足的碳骨架和能量供应，该过程依赖于碳水化合物活性酶（CAZymes）介导的有机碳降解（Liu等，2022a）。当硝化作用被部分抑制时，土壤中积累的NH₄⁺-N可作为异养微生物的氮源（Guo等，2022）。然而，这些微生物是否能有效利用该氮素构建生物量，取决于碳代谢途径（如糖苷水解酶、糖基转移酶）的活性（Yang等，2025）。因此，在评估硝化抑制剂时，从碳氮偶联的视角可以更好地揭示微生物氮保留机制。最佳剂量窗口可能最大化这一偶联过程，而这一过程在盐化碱化稻田土壤中尚未被探索。为了避免相对丰度分析固有的组成偏差，我们采用了绝对定量宏基因组学方法。然而，对KEGG氮代谢途径、CAZyme基因和生态网络的综合评估仍然缺乏，而这些评估对于优化DCDBA的施用和理解其生态权衡至关重要。

基于上述考虑，本研究采用典型的盐化碱化稻田土壤，开展为期14天的微宇宙培养实验，结合¹⁵N标记的硫酸铵和不同剂量的DCDBA复合硝化抑制剂。本研究的目标为：(1) 量化DCDBA剂量对土壤氮素转化、N₂O排放和¹⁵N肥料去向的影响；(2) 确定盐化碱化稻田土壤的最佳施用剂量；(3) 阐明最佳剂量下氮保留增强的碳氮协同机制。我们假设中等剂量的DCDBA可以通过促进碳氮代谢偶联来提高氮保留量。研究结果有望为高效氮素管理提供理论依据，并为盐碱化水田中复合硝化抑制剂的精准施用提供科学支持。

片段摘录

土壤采样与前处理

土壤样本于2025年4月采集自中国吉林省松原市（北纬45°2′，东经124°27′）一处已建立10年的盐化碱化试验稻田。当地气候为温带大陆性季风气候，年平均气温为4.5°C，年降水量在400至500毫米之间。土壤分类为软土，取自犁层（0–20厘米深度）。采样后，土壤经风干、研磨并通过2毫米筛网进行理化性质测定。

土壤氮素组分与硝化作用

在培养期间，二氰diamide与苯甲酸（DCDBA）联合施用下的土壤氮素组分呈现动态变化（图1）。与CK（对照组）相比，所有DCDBA处理均显著延缓了NH₄⁺-N的消耗速率（P < 0.05）。值得注意的是，H处理（高剂量）在早期阶段（0–3天）表现出最强的NH₄⁺-N保留效果，而M处理（中等剂量）在中后期阶段（3–14天）的效果优于H处理（图1a）。CK始终产生最高的...

DCDBA剂量依赖性地延缓硝化作用并使氮保留从抑制转变为同化

所有DCDBA处理均显著延缓了NH₄⁺-N的消耗，并有效抑制了盐化碱化稻田土壤中NO₃^?-N和NO₂^?-N的积累（图1a-c）。这证实了DCD与BA的联合施用可以协同抑制土壤硝化作用。从机制上看，作为氨单加氧酶的竞争性抑制剂，DCD容易发生非生物降解，导致有效抑制窗口缩短（Cahalan等，2015）。此外，BA作为一种弱有机酸，能够...

结论

在14天的微宇宙培养过程中，DCDBA剂量依赖性地抑制了盐化碱化稻田土壤中的硝化作用和N₂O排放。中等剂量的DCDBA（20 mg kg^?1 DCD + 80 mg kg^?1 BA）在硝化抑制与生态可持续性之间实现了最佳平衡。从机制上看，该剂量富集了同化硝酸盐还原基因（nirB、nasA/B）并刺激了碳水化合物活性酶（GTs、GHs、CEs），通过碳氮代谢偶联驱动微生物NH₄⁺...

CRediT作者贡献声明

Yunshan Meng：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，方法论，调查。Luxin Zhang：方法论。Lingyu Kong：调查。Haoge Liang：软件。Panpan Gao：验证。Xueqin Ren：监督指导。Zideng Gao：写作 – 审阅与编辑，监督指导，资源，概念设计。Shuwen Hu：写作 – 审阅与编辑，监督指导，项目管理，方法论，调查，经费获取，概念设计。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

本研究受中华人民共和国农业农村部重大项目（NK2022180401和NK2022180404）以及中华人民共和国科技部国家重点研发计划（2023YFD150050305）资助。

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