氮掺杂碳纳米粒子生物效应及其氮肥增效机理研究

The lower nitrogen utilization efficiency is a common issue bothering various agriculture in the world. Adding nitrification inhibitor to nitrogen fertilizer is one of the effective way to solve the problem. However, the existing types of nitrification inhibitors is varied and faulty. such as instability, expensive price, toxicity and pollution, which seriously affects the properties of nitrification inhibitors. Based on this, Nitrogen-Doped Carbon Nanodots is studied with the mechanisms of improving nitrogen use efficiency and the biological effect. The main processes and biological regulation mechanisms of Nitrogen-Doped Carbon Nanodots discussed included: Biological effects evaluation of Nitrogen-Doped Carbon Nanodots on paddy soils; Effects of Nitrogen-Doped Carbon Nanodots on N transformation and plant growth; Nitrogen transformation and fate in paddy soil under the conditions of mixed application of nitrogen fertilizer with Nitrogen-Doped Carbon Nanodots. The aim of the study is to analysis the mechanism of Nitrogen-Doped Carbon Nanodots effects on N transformation and evaluate the biological impact. as well as a foundation for further new nitrification inhibitor.

氮肥利用率低是氮肥施用过程中普遍遇见的重大难题，使用氮肥增效剂是缓解该问题的有效途径。然而，现有的氮肥增效剂种类繁多且存在着不可避免的缺点，如作用不稳定、价格昂贵、毒性和污染等，严重制约了氮肥增效剂的使用。本项目以氮掺杂碳纳米粒子为研究对象，对其氮肥增效机理、生物效应和使用方法进行基础科学研究。具体内容包括：氮掺杂碳纳米粒子生物效应分析及其代谢过程研究；氮掺杂碳纳米粒子对稻田土壤硝化过程中功能微生物结构和活性的影响；田间条件下氮掺杂碳纳米粒子对油菜施氮的增产和氮素转化的影响。本项目旨在揭示氮掺杂碳纳米粒子影响氮素转化的机理，评价氮掺杂碳纳米粒子的安全性，为研制出以氮掺杂碳纳米粒子为氮肥增效剂的新型稳定肥料奠定理论和技术基础。

氮肥利用率低已成为限制现代农业快速发展一个重要因素，大量损失的氮素进入环境还会加剧环境污染风险。为有效提高氮肥利用效率，本研究选择经氮掺杂后的碳纳米颗粒（N-CNPs）为氮肥增效材料，以湘油15号作物为试验对象，基于土壤-植物系统氮素循环过程关键参数变化分析，运用模拟淋溶、盆栽试验和大田试验等多种方法研究N-CNPs对油菜种植过程中氮肥利用效率提升的实际效果，探讨其增效机理。同时，通过植物种子萌发和幼苗生长试验对N-CNPs在使用过程中可能存在的危害及生态毒性进行分析，寻找最适安全剂量。在此基础上，尝试以包膜固定化措施提升N-CNPs农业应用效果，改善施肥体验。最终为田间条件下氮肥增效提供新材料和新方法。研究结果表明：.1）在室内培养条件下，一定剂量的N-CNPs能抑制作物种子萌发和幼苗生长，与作物幼苗根系直接接触的N-CNPs 的含量应当低于10mg·L-1 。.2）N-CNPs能显著降低NO3--N淋失量，其作用效果与N-CNPs添加量呈正相关。配施纯氮量15‰的N-CNPs（N-CNPs实际用量约3mg·L-1） 能减少49.9%的TN淋溶损失。N-CNPs能提高土壤pH值和BS，且与N-CNPs剂量呈显著正相关，这可能是N-CNPs提升氮肥利用效率的原因之一。.3）配施N-CNPs对尿素在土壤中的硝化进程有明显的抑制作用，随着N-CNPs剂量增加，硝化抑制效果增强。尿素配施纯氮量5‰及以下剂量N-CNPs能促进油菜生长，增加土壤微生物多样性，改善微生物功能，提升氮素在土壤-植物体系中转化和利用效率。因此，氮肥施用时N-CNPs剂量在纯氮量的5‰以下较为适宜。.4）尿素配施N-CNPs显著降低了油菜根际土壤中的氨氧化古菌（AOA）的丰度，显著提升了氨氧化细菌（AOB）的丰度，丰度变化与N-CNPs剂量相关。在油菜根际土壤中，AOA是主导土壤硝化作用的主要因素。因此，推测N-CNPs实现氮肥增效的机理与其对主导硝化过程的AOA菌群功能和数量的抑制有关。.5）田间条件下，尿素配施N-CNPs能有效降低氮素径流和渗漏损失，但也存在增加NH3挥发的风险。因此，寻找最佳应用剂量是平衡各类氮素损失，最终实现氮肥利用效率提升的关键。