研究簡介：稻田氮肥利用率低（20–40%），主要通過反硝化損失；DCD通過抑制AOB延緩NH??氧化。周叢生物膜（藻類、細菌等）在稻田中普遍存在，通過調節pH、氧化還原條件影響氮循環。DCD作為硝化抑制劑可減少稻田氮損失，但其與周叢生物膜的相互作用尚不清楚。本研究探討了稻田系統中常用硝化抑制劑雙氰胺（Dicyandiamide,DCD）與周叢生物膜（Periphytic Biofilms）之間的相互作用及其對氮素循環的影響。通過微宇宙實驗，研究人員模擬了不同光照條件和DCD施用水平下稻田土壤-水界面的動態變化。研究發現，DCD顯著抑制了氨氧化細菌（AOB）的活性，降低了硝化潛力（NP），但高劑量DCD施用反而增加了氨揮發（NH?volatilization）損失。與此同時，周叢生物膜的存在顯著加速了DCD的降解，并通過同化作用減少氨揮發，同時促進了反硝化作用（Denitrification）。研究進一步通過功能基因定量（AOA/AOB amoA、nirK、nosZ）揭示了微生物群落結構與氮循環過程之間的聯系。該研究強調了在稻田氮素管理中同時考慮硝化抑制劑與周叢生物膜的重要性，為提高氮素利用效率和減少非點源污染提供了科學依據。

Unisense微電極系統的應用

unisense微電極應用于精確測量土壤-水界面的溶解氧（DO）濃度和氧滲透深度，測試的氧數據揭示了光照和DCD處理對界面氧環境的影響。通過分析相關數據表明光照下DO顯著升高（藻類光合作用），DCD通過減少生物膜呼吸作用間接提高DO。關聯DO與硝化潛力（NP）的關系：高DO促進AOB活性，但DCD的抑制作用占主導。

實驗結果

探究了雙氰胺（DCD）與稻田系統中附生生物膜的相互作用及其對氮循環的后續影響。附生生物膜在光照條件下發育，改變了稻田的理化環境，并加速了DCD的降解。同時，DCD的施用通過直接和間接作用促進了附生生物膜的發育。DCD的應用增加了銨態氮（NH??）的保留，但也提高了NH?揮發損失。當存在附生生物膜時，NH??的同化作用和硝化作用均得到增強。研究結果表明，DCD的施用和附生生物膜的發育及其相互作用對稻田系統的氮循環具有重要影響。在未來的養分管理中，應同時考慮硝化抑制劑和附生生物膜的作用。

圖1、土壤-水界面溶解氧（DO）濃度的變化。展示了不同處理下土壤-水界面溶解氧（DO）濃度的動態變化。光照條件下的DO濃度顯著高于黑暗條件（p<0.05），且DCD的添加進一步提高了DO水平。這表明附生生物膜的光合作用（光照下）和DCD的化學作用共同增強了氧氣的產生與滲透。

圖2、不同處理中DCD的分布變化。對比了光照與黑暗條件下DCD的殘留量。光照處理中DCD的降解速率更快，且高劑量DCD（10%）的殘留量更高。附生生物膜的存在（光照下）顯著加速了DCD的分解，可能與微生物活性增強有關。

圖3、附生生物膜的葉綠素a（Chl.a）和有機質（OM）含量。圖A（Chl.a）：光照條件下藻類生物量先增后降，高劑量DCD（10NL）處理中Chl.a最高，表明DCD可能通過抑制競爭性細菌間接促進藻類生長。圖B（OM）：光照處理的OM含量始終高于黑暗條件，且DCD添加進一步提高了OM，可能與生物膜代謝產物積累相關。

圖4、上覆水中氮形態的變化。黑暗條件下TN的濃度更高，DCD劑量增加會抑制硝化，導致NH??積累。光照處理中NO??-N的濃度更低，因生物膜促進了反硝化作用（NO??→N?）

圖5、附生生物膜的硝化潛力（NP）與反硝化潛力（DNP）。A)DCD顯著抑制硝化潛力（尤其對AOB），光照通過提高DO部分緩解抑制。B)光照條件下反硝化潛力更高，因生物膜提供了有機碳源和缺氧微環境。

結論與展望

雙氰胺（DCD）是一種常用的硝化抑制劑，具有減少稻田土壤氮損失的潛力。在稻田系統中，附生生物膜普遍存在于土壤/水界面，并對養分循環產生重要影響。然而DCD與稻田中附生生物膜的相互作用及其對氮循環的后續影響尚不明確。本研究通過微宇宙實驗，探究了附生生物膜與DCD的相互作用及其對稻田氮循環的潛在影響。結果表明DCD影響了附生生物膜的發育，而附生生物膜的存在加速了DCD的降解。unisense微電極系統精確測量土壤-水界面的溶解氧（DO）濃度和氧滲透深度，測試獲得的數據為解釋DCD與生物膜對氧化還原條件及氮轉化的協同效應提供了關鍵證據。研究還發現，DCD的施用主要通過抑制氨氧化細菌（AOB）的活性來降低硝化潛力。較高劑量的DCD增加了NH3揮發損失，但附生生物膜的存在減少了NH3揮發損失，同時促進了反硝化作用。本研究有助于更好地理解稻田中的氮循環過程，并為提高氮利用效率和控制面源污染提供了有益信息。