草甘膦對(duì)土壤酶活性的影響

王振東,劉根源,余陽(yáng),高志祥,王珊杉,程亞南

（河南科技學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

我國(guó)作為一個(gè)人口大國(guó),耕地面積在世界之中位列前茅.然而隨著環(huán)境的變化及人類(lèi)活動(dòng)的影響,耕地上出現(xiàn)了諸多問(wèn)題,如農(nóng)藥的種類(lèi)和使用量逐漸增多,雜草的種類(lèi)不斷增加等.我國(guó)也是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó),更是一個(gè)大量生產(chǎn)和使用農(nóng)藥的國(guó)家.因此,農(nóng)藥對(duì)土壤環(huán)境的污染不得不引起人們重視.據(jù)有關(guān)資料表明,我國(guó)遭受農(nóng)藥污染的土壤面積達(dá)1600 hm2,主要農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留量超標(biāo)率高達(dá)16%～18%[1].

草甘膦又名N-（磷酸甲基）甘氨酸,為有機(jī)磷除草劑[2],能夠非選擇性地有效抑制一年生或多年生雜草[3].自20 世紀(jì)70 年代以來(lái),草甘膦的年銷(xiāo)售量以20%的速度增加,成為使用量最大的除草劑[4-5].2012年我國(guó)草甘膦的產(chǎn)量達(dá)40 萬(wàn)噸,位居全球第一位.然而草甘膦在施入農(nóng)田會(huì)有高達(dá)70%的含量留在土壤中,殘留的草甘膦必然會(huì)與土壤酶發(fā)生反應(yīng)[6].土壤酶活性是土壤質(zhì)量健康狀況的一個(gè)重要的指標(biāo),土壤酶在一定程度上可以反映土壤受到農(nóng)藥污染的程度.自1899 年發(fā)現(xiàn)土壤存在過(guò)氧化氫酶以來(lái),迄今為止發(fā)現(xiàn)存在于土壤中的酶類(lèi)有60 多種[7].土壤酶在營(yíng)養(yǎng)轉(zhuǎn)化、能量代謝、污染物質(zhì)的凈化等方面發(fā)揮著重要的作用[8-9].土壤酶大致反映出土壤中生物化學(xué)過(guò)程進(jìn)行的相對(duì)程度,因此土壤酶可以反映土壤的環(huán)境健康狀況[10-11].

草甘膦施入土壤后對(duì)土壤中的過(guò)氧化氫酶具有一定的激活效應(yīng),這是土壤微生物的一種應(yīng)激反應(yīng),但高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的草甘膦對(duì)土壤微生物會(huì)具有一定的危害作用,從而使過(guò)氧化氫酶活性受到抑制.邢靜怡等[12]研究認(rèn)為,隨著草甘膦使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高,過(guò)氧化氫酶活性受到抑制的現(xiàn)象就越明顯；隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng),微生物對(duì)草甘膦的適應(yīng)及草甘膦本身的降解,這種抑制會(huì)逐漸減弱.草甘膦中的磷酸基團(tuán)會(huì)抑制磷酸酶的活性[13].對(duì)于主要吸附在土壤粘粒上的脲酶而言,王玉軍等[14]研究認(rèn)為草甘膦的使用會(huì)抑制土壤脲酶的活性.

使用農(nóng)藥時(shí),應(yīng)盡可能的將殘留在土壤中的農(nóng)藥量保持在土壤可自動(dòng)凈化的范圍內(nèi),以避免農(nóng)藥超出適量的范圍而影響土壤中各種物質(zhì)的正常活動(dòng),造成對(duì)環(huán)境的損害.因此,本試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置5 個(gè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的草甘膦并培養(yǎng)不同的時(shí)間,分析其對(duì)土壤磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶活性的影響,從而得到不同含量的草甘膦及不同殘留時(shí)間對(duì)土壤環(huán)境的影響,以期為合理使用草甘膦農(nóng)藥提供一定的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 土壤基本情況

該試驗(yàn)所用的土壤采集于新鄉(xiāng)市紅旗區(qū)河南科技學(xué)院東區(qū),該地區(qū)位于河南省北部,屬于北溫帶大陸性氣候,四季分明,冬寒夏熱,歷年平均氣溫14 ℃,年均降水量為573.4 mm,供試土壤為黃褐色弱堿性土壤.采集土壤后,先去除土壤表層枯葉、礫石、植物殘根等,然后風(fēng)干、過(guò)1 mm 篩,保存?zhèn)溆?

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用山東東遠(yuǎn)生物科技有限公司生產(chǎn)的草甘膦除草劑, 含量為30%, 推薦的田間施用量為750～1 500 mL/667m2（225～450 g/667m2）.按照推薦的田間施用量設(shè)置5 個(gè)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度進(jìn)行土培試驗(yàn),分別在培養(yǎng)的第7、14、21、28、35 d 測(cè)定土壤磷酸酶、脲酶、過(guò)氧化氫酶活性.每份土壤樣品為200 g,保持田間含水量的60%,在恒溫25 ℃的條件下避光培養(yǎng).每個(gè)處理3 個(gè)重復(fù),同時(shí)設(shè)置不添加除草劑的對(duì)照試驗(yàn).5 個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別用GL1、GL2、GL3、GL4、GL5 表示, 其質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.015‰、0.030‰、0.060‰、0.100‰、0.150‰.

1.3 測(cè)定的項(xiàng)目與方法

采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定土壤磷酸酶含量,其活性是用24 h 后每克土壤中P2O5的毫克數(shù)表示.采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定土壤脲酶,其活性是以24 h 后每克土壤中NH3-N 的毫克數(shù)表示.采用高錳酸鉀容量法測(cè)定土壤過(guò)氧化氫酶,其活性是以20 min 后每克土壤分解的過(guò)氧化氫的毫克數(shù)表示.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 進(jìn)行結(jié)果計(jì)算與分析,采用單因素隨機(jī)區(qū)組進(jìn)行方差分析,P＜0.05.

2 結(jié)果與分析

2.1 草甘膦除草劑對(duì)土壤磷酸酶活性的影響

磷是植物可吸收利用的三大營(yíng)養(yǎng)元素之一,磷酸酶是有機(jī)態(tài)磷轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)態(tài)磷的催化劑[15].從圖1可以看出, 在培養(yǎng)的5 個(gè)時(shí)間中,GL1、GL2 和GL5 處理的磷酸酶活性表現(xiàn)為升高—降低—升高的變化趨勢(shì).當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為28 d 時(shí),土壤磷酸酶活性在所有時(shí)間段中最低,而當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為35 d 時(shí),土壤磷酸酶活性在整個(gè)培養(yǎng)時(shí)間段中的活性最高.當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為7 d 時(shí),GL2 的磷酸酶活性與CK 之間差異顯著,GL2 的磷酸酶活性受到抑制.當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為14 d、21 d 和28 d 時(shí),各草甘膦質(zhì)量分?jǐn)?shù)的磷酸酶活性與CK之間均沒(méi)有顯著的差異.呼蕾等[16]認(rèn)為隨著草甘膦使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,土壤磷酸酶總體呈現(xiàn)了下降趨勢(shì),當(dāng)其最大降幅達(dá)到50%時(shí),磷酸酶的活性受到了抑制.

圖1 草甘膦對(duì)土壤磷酸酶活性的影響Fig. 1 Effects of glyphosate on the activities of soil phosphatase

如表1 所示,GL1 的土壤磷酸酶活性在培養(yǎng)7 d 和14 d 時(shí),二者之間沒(méi)有顯著差異,但14 d、21 d、28 d和35 d 之間有顯著差異.GL2 處理的磷酸酶活性在培養(yǎng)7 d 和21 d 之間無(wú)顯著差異,其它培養(yǎng)天數(shù)之間均有顯著差異.GL3、GL4 和GL5 處理的磷酸酶活性在培養(yǎng)的21 d、28 d 和35 d 之間有顯著的差異.

由上述分析可知,當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為7 d 時(shí),GL2 的磷酸酶活性受到抑制.當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為35 d 時(shí),GL3、GL4 的磷酸酶活性受到抑制.推測(cè)原因是當(dāng)草甘膦施入土壤后,草甘膦中有毒物質(zhì)的聚集抑制了土壤磷酸酶的活性.

表1 不同培養(yǎng)時(shí)間下草甘膦對(duì)土壤磷酸酶活性影響的方差分析Tab. 1 Analysis of variance of the effect of glyphosate on soil phosphatase activity at different culture time

2.2 草甘膦除草劑對(duì)土壤脲酶活性的影響

從圖2 可以看出,在培養(yǎng)的5 個(gè)時(shí)間中,GL1 和GL3 的磷酸酶活性出現(xiàn)先升高再降低再升高的趨勢(shì),GL2 和GL5 的脲酶活性出現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì).當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為7 d 時(shí),各處理的脲酶活性與CK 之間差異顯著,脲酶活性被激活.當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為14 d 時(shí),GL1 和GL4 的脲酶活性與CK 相比,脲酶活性均被激活.當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為21 d 時(shí),各處理的脲酶活性與CK 之間均沒(méi)有顯著的差異.當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為28 d 時(shí),除GL3 外,其它處理的脲酶活性與CK 之間均有顯著的差異.當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為35 d 時(shí),GL2、GL4 和GL5 的脲酶活性與CK 之間有顯著的差異,GL2、GL4 和GL5 的脲酶活性均被激活.說(shuō)明草甘膦的施用會(huì)使脲酶的活性被激活.

土壤脲酶主要存在于吸附性較強(qiáng)的黏粒上,作為酰胺酶它可以水解氨和二氧化碳,是氮素轉(zhuǎn)化的重要酶類(lèi).郝愛(ài)平等[17]也曾對(duì)土壤脲酶的活性做出研究,研究表明草甘膦短時(shí)間施入土壤后,對(duì)土壤脲酶的活性有抑制作用,在施入一周后對(duì)脲酶又具有一定的激活作用,第三周之后,草甘膦對(duì)土壤脲酶的作用達(dá)到空白水平.吳小玲等[18]的研究表明,草甘膦對(duì)土壤脲酶的酶活性影響并不明顯,僅在個(gè)別樣品中表現(xiàn)出一定的抑制作用,但在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中所表現(xiàn)出的作用并不一致.通過(guò)上述分析可以得出,在培養(yǎng)21 d、28 d和35 d 的時(shí)間里草甘膦的使用會(huì)使土壤脲酶活性被激活,而Sannino 等[19]也曾發(fā)現(xiàn)草甘膦具有激活土壤脲酶活性的現(xiàn)象.

圖2 草甘膦對(duì)土壤脲酶活性的影響Fig. 2 Effects of glyphosate on the activities of soil urease

如表2 所示,GL1 和GL2 的脲酶活性在培養(yǎng)7 d 和培養(yǎng)21 d、28 d 之間有顯著差異,但與14 d、35 d的脲酶活性之間無(wú)顯著差異.GL3 的脲酶活性在培養(yǎng)7 d 和14 d 之間沒(méi)有顯著差異,但是與其它3 個(gè)時(shí)間之間的脲酶活性之間有顯著差異.GL4 的脲酶活性在培養(yǎng)21 d、28 d、35 d 這三者之間沒(méi)有明顯的差異,但是分別與培養(yǎng)7 d 和14 d 的脲酶活性之間有顯著的差異.GL5 的脲酶活性在培養(yǎng)21 d 與培養(yǎng)7 d、14 d 之間有顯著的差異,在培養(yǎng)21 d 與28 d、35 d 的脲酶活性之間無(wú)顯著差異.

由上述分析可知,當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為21 d 時(shí),不同濃度草甘膦處理的土壤脲酶活性之間沒(méi)有顯著的差異,當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為7 d、14 d、28 d 和35 d 時(shí),草甘膦的使用會(huì)使土壤脲酶活性被激活.這可能是因?yàn)椴莞熟⒌氖┤?會(huì)打破土壤微生物的環(huán)境,使微生物的環(huán)境受到刺激從而引起脲酶活性被激活的現(xiàn)象.

表2 不同培養(yǎng)時(shí)間下草甘膦對(duì)土壤脲酶活性影響的方差分析Tab. 2 Analysis of variance of the effect of glyphosate on soil urease activity at different culture time

2.3 草甘膦除草劑對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響

過(guò)氧化氫酶作為土壤的主要酶類(lèi)之一,它能夠促進(jìn)過(guò)氧化氫的分解并有利于防止過(guò)氧化氫對(duì)作物的毒害作用[20].從圖3 可以看出,在培養(yǎng)時(shí)間為7 d 時(shí),GL3、GL4、GL5 的磷酸酶活性與CK 相比受到明顯抑制.在培養(yǎng)時(shí)間為14 d 時(shí),除GL4 的脲酶活性與CK 之間沒(méi)有顯著差異外,其它4 個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的脲酶活性與CK 之間均有顯著的差異,GL1、GL2、GL5 的脲酶活性受到抑制,GL3 的脲酶活性被激活.在培養(yǎng)時(shí)間為21 d 時(shí),GL1、GL2、GL4 的脲酶活性與CK 之間有顯著的差異,與CK 相比GL1 和GL2 的脲酶活性被激活,而GL4 的脲酶活性受到抑制.在培養(yǎng)時(shí)間為28 d 時(shí),各草甘膦處理的脲酶活性與CK 之間均有顯著差異,脲酶活性均被激活.在培養(yǎng)時(shí)間為35 d 時(shí),除GL5 外,其它4 個(gè)處理的過(guò)氧化氫酶活性與CK 之間均有顯著差異,GL1 的過(guò)氧化氫酶活性被激活,GL2、GL3、GL4 的過(guò)氧化氫酶活性均受到抑制.楊敏等[21]在對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的研究中表明,草甘膦的使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低會(huì)對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性起到激活作用,而高濃度的草甘膦會(huì)對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶起到抑制作用.

圖3 草甘膦對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響Fig. 3 Effects of glyphosate on the activities of soil catalase

如表3 所示,GL1 的過(guò)氧化氫酶活性在培養(yǎng)21 d 和28 d 之間沒(méi)有顯著的差異,但與培養(yǎng)7d、14 d、35 d 之間有顯著的差異.GL2、GL4、GL5 處理在5 個(gè)不同培養(yǎng)時(shí)間段的土壤過(guò)氧化氫酶活性之間均有顯著差異.GL3 的過(guò)氧化氫酶活性在培養(yǎng)21d 和35 d 之間無(wú)顯著差異,但是顯著高于培養(yǎng)7 d、14 d、28 d的過(guò)氧化氫酶活性.當(dāng)培養(yǎng)時(shí)間為28 d 時(shí),土壤過(guò)氧化氫酶的活性均被激活,這可能是因?yàn)檫^(guò)氧化氫酶在土壤中主要起到降解毒性的作用,當(dāng)草甘膦在施入土壤后刺激降解自由基的酶活性,從而激發(fā)了過(guò)氧化氫酶的活性.

表3 不同培養(yǎng)時(shí)間下草甘膦對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性影響的方差分析Tab. 3 Analysis of variance of the effect of glyphosate on soil catalase activity at different culture time

3 結(jié)論與討論

在整個(gè)試驗(yàn)階段內(nèi),不同添加量的草甘膦均對(duì)土壤磷酸酶活性無(wú)顯著的影響.土壤脲酶活性隨著培養(yǎng)時(shí)間的延長(zhǎng),整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì).在培養(yǎng)的第7、14、28 和35 d 時(shí),除GL5 處理外,草甘膦均激活了土壤脲酶的活性.不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)、不同培養(yǎng)時(shí)間下的草甘膦對(duì)土壤過(guò)氧化氫酶活性的影響沒(méi)有明顯的規(guī)律性,但是草甘膦對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響時(shí)間超過(guò)35 d.

在本次試驗(yàn)中,不同添加量的草甘膦以及不同時(shí)間對(duì)土壤磷酸酶活性的無(wú)顯著影響,但對(duì)土壤脲酶和過(guò)氧化氫酶活性均有一定的激活或抑制作用.草甘膦對(duì)土壤脲酶起到激活作用,這與Sannino 等[19]的試驗(yàn)結(jié)果一致,但與吳小玲等[18]的試驗(yàn)結(jié)果不一致,可能是因?yàn)橥寥烂傅幕钚耘c土壤黏性、pH 值和土壤水分等性質(zhì)有密切的關(guān)系,這些因素之間影響的相關(guān)性還有待進(jìn)一步的研究.