尿素衍生碳点对玉米-土壤系统的环境行为及其协同效应

《Journal of Environmental Management》：Environmental behavior and synergistic effects of urea-derived carbon dots on the maize-soil system

氮肥污染治理与N-掺杂碳点（NDs）应用研究揭示NDs foliar application可提升玉米氮吸收（56.6%）和光合效率（16.7%增产），同时抑制土壤N2O排放（11.2%）和有机碳矿化，通过调控微生物群落及基因表达（如psaA、psbA）实现环境可持续与农业增效协同。

　　

程冰旭|张天桥|任玉英|张连|王传喜|张俊义|王振宇|邢宝山

江南大学环境过程与污染控制研究所及环境与生态学院，中国江苏省无锡市，214122

摘要

氮肥引起的污染对可持续农业生态系统构成了重大挑战。本研究探讨了尿素通过水热转化生成氮掺杂碳点（NDs）的过程，并比较了这些NDs在植物-土壤系统中的命运、迁移及其环境影响与尿素本身的差异。具体而言，当以10 mg/L的浓度将NDs施用于叶片时，它们会被玉米叶片吸收，并在喷洒过程中部分沉积到土壤中。这一过程改变了根际微生物群落组成和功能基因谱，导致土壤硝化作用增强、反硝化作用减弱以及碳稳定性提高。因此，施用NDs后，NH₄⁺-N和NO₃^?-N的浓度分别增加了117.0%和12.9%。NDs还抑制了土壤有机碳（SOC）的矿化，从而有助于保持土壤肥力。同时，NDs使土壤中CO₂、NH₃和N₂O的排放量分别减少了20.9%、60.0%和11.2%，从而减轻了氮肥使用对环境的影响。NDs还通过促进碳固定作用提高了玉米的产量16.7%：它们增强了羧化酶活性，并上调了关键的光合作用电子传递基因（如psaA和psbA）。此外，NDs还激活了与氮吸收、转运和同化相关的玉米基因和酶活性，使叶片氮积累量增加了56.6%，籽粒蛋白质含量增加了10.2%。这些发现表明纳米技术如何支持土壤环境的可持续性，并为推进可持续农业提供了有希望的途径。

引言

由于作物系统中氮肥管理效率低下，农业温室气体（GHG）排放量的增加对实现全球粮食安全与环境可持续性的平衡构成了重大挑战（Gao和Cabrera Serrenho，2023；Adalibieke等人，2023）。预计到2050年全球人口将达到97亿（https://www.fao.org/markets-and-trade/commodities/rice/en），不断增长的粮食需求加剧了对氮肥的依赖，进而加剧了农业温室气体排放（Cai等人，2023；Cassman和Grassini，2020；Xu等人，2024a,b）。然而，作物仅吸收了施用氮肥的40-60%；其余部分通过淋溶、挥发或反硝化作用流失。这种损失导致土壤酸化、水污染以及大量的直接和间接一氧化二氮（N₂O）排放，而一氧化二氮的全球变暖潜能值是二氧化碳（CO₂）的273倍（Li等人，2024）。这些低效率现象损害了农业的可持续性，削弱了长期生产力与土壤健康，同时也阻碍了实现全球碳中和和气候适应性的进程，从而使得实现联合国可持续发展目标（SDGs）变得复杂（Sachs等人，2019）。因此，迫切需要开发创新策略来减少农田温室气体排放，保护和提升土壤健康——这是维持农业生产力的关键因素——并使农业实践与联合国可持续发展目标保持一致。纳米技术通过战略性使用工程纳米材料（ENMs），为实现这些目标提供了巨大潜力。这主要通过三个相互关联的途径实现：提高养分利用效率以减少肥料流失和土壤养分耗竭、减轻环境影响以及增强农业生态系统的气候适应性（Zhang等人，2021）。例如，一项为期四年的田间试验表明，施用于土壤的氧化铁纳米材料通过调节土壤微生物群落和功能基因，将甲烷和N₂O排放量减少了50%，同时使水稻产量增加了25%（Yu等人，2024）。基于铁的纳米材料可以调节豆科植物的固氮酶活性，诱导促进根瘤形成的激素信号（乙烯和茉莉酸），从而增强植物的固氮能力（Wang等人，2022c）。碳点（CDs）通过调节大豆根际微生物网络中的共生相互作用，提高土壤中氮的生物可利用性，并上调参与根系氨（NH₄⁺-N）和硝酸盐（NO₃^?-N）吸收与转运的基因表达，从而提高大豆的抗旱性（Wang等人，2022a）。硒纳米材料通过调节植物根系生长、促进根系分泌物分泌以及上调养分转运基因的表达，显著提高了土壤中氮、磷、铁和硒等养分的有效性（Wang等人，2022b）。这三项益处共同解决了可持续农业中的关键问题，展示了纳米技术在维持土壤肥力、保障全球粮食安全和促进可持续发展方面的潜力。

尿素是主要的氮肥，约占全球粮食产量的50%，2023年的全球需求量达到了234亿吨（https://www.fao.org/markets-and-trade/commodities/rice/en；Wang等人，2024）。虽然尿素对全球粮食安全至关重要，但它也显著加剧了环境氮污染（Wang等人，2024）。尿素主要由碳（20.0%）和氮（46.7%）组成，其元素组成与碳点相似（Chang等人，2025）。我们之前的研究表明，尿素可以用来合成具有与碳点相似特性的氮掺杂碳点（NDs）（Wang等人，2021）。这引发了关于尿素衍生NDs在环境中的行为及其对植物-土壤系统影响的疑问，特别是在土壤氮循环和相关温室气体排放方面。先前的研究表明，碳点通过提高光捕获能力和电子转移速率，增强了玉米叶片的光合作用，使玉米产量增加了24.5%（Wang等人，2021）。Wang等人还报告称，碳点通过与固氮酶、根系分泌物和根际微生物的相互作用，显著提高了大豆的氮吸收能力（Wang等人，2022a）。因此，我们假设施用于叶片的尿素衍生NDs通过增强电子传输和光捕获能力来促进光合作用，并转移到根部以上调氮吸收和转运基因，从而增加作物的氮积累。同时，土壤中的NDs影响土壤微生物群落和功能基因，促进土壤中氮和碳的转化，总体上减少了温室气体排放，最终提高了作物产量。此外，全球玉米的产量和消费量每年超过10亿吨，其种植系统是人为温室气体排放的主要来源之一（Cui等人，2013）。因此，本研究旨在探讨：（1）NDs在植物-土壤系统中的迁移情况；（2）NDs对土壤氮和碳转化的调节作用，以及NDs影响这些过程的机制；（3）NDs对玉米碳固定和氮同化的作用机制。

尿素衍生碳点（NDs）的合成与表征

NDs是通过水热法合成的（Chang等人，2025）。简要来说，将15克尿素和30毫升去离子水混合后，在Teflon密封的高压釜中于200°C下反应4小时。自然冷却至室温后，通过冷冻干燥收集NDs。使用透射电子显微镜（TEM，Jem-2100F，日本）分析了NDs的尺寸和形态，并通过衰减全反射傅里叶变换红外光谱对其官能团进行了表征

NDs在植物-土壤系统中的行为

与我们的先前研究结果一致（Chang等人，2025），尿素衍生的NDs呈现球形形态，平均直径为3.4纳米（图S1a）。FTIR和XPS分析证实了其氮掺杂情况，而氨基/酰胺官能化赋予了表面亲水性（图S1b和S1c）。此外，这些NDs还具有光致发光特性，能将紫外线转化为蓝光（图S1d）（Shi等人，2017；Zhang等人，2016）。总体而言，这些NDs具有以下特点：

结论

总之，本研究展示了尿素衍生的氮掺杂碳点（NDs）在提升土壤环境可持续性和作物产量方面的巨大潜力。通过水热合成方法，NDs被有效制备并通过叶面喷洒施用于玉米植株，被叶片吸收后转运至根部和土壤。这种应用不仅通过促进硝化作用和抑制反硝化作用提高了土壤中氮的可用性，而且

作者贡献声明

程冰旭：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，正式分析。张天桥：研究，数据管理。任玉英：研究，数据管理。张连：研究，数据管理。王传喜：撰写——审稿与编辑，研究，数据管理。张俊义：研究，数据管理。王振宇：撰写——审稿与编辑，数据管理。邢宝山：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42421005、42307352和42322705）、江苏省基础研究计划（编号BK20230044）以及中央高校基本科研业务费（编号JUSRP202501065）的支持。