陳彥君, 劉來盤, 關(guān) 瀟, 劉 標(biāo),*
(1. 中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012; 2. 生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所, 南京 210042;3. 海南大學(xué)熱帶作物學(xué)院, ???570228)
2019年是轉(zhuǎn)基因作物商業(yè)化種植的第24年。2018年國際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織(International Service for the Acquisition of Agri-biotech Applications, ISAAA)報告顯示,全球26個國家種植了1.917億公頃轉(zhuǎn)基因作物,與2017年相比增幅為1%,較1996年增長了約113倍;2018年全球種植面積相對較大的轉(zhuǎn)基因作物主要是大豆、玉米、棉花和油菜,其中轉(zhuǎn)基因大豆的種植面積最大,占全球轉(zhuǎn)基因作物種植總面積的50%,應(yīng)用率為78%;抗除草劑、抗蟲和復(fù)合性狀是全球轉(zhuǎn)基因作物的主要目標(biāo)性狀,1997-2018年種植面積最大的為抗除草劑轉(zhuǎn)基因作物,其2018年的種植面積占轉(zhuǎn)基因作物種植總面積的46%(國際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)應(yīng)用服務(wù)組織, 2019)。
隨著生物技術(shù)的快速發(fā)展,轉(zhuǎn)基因作物潛在的生態(tài)風(fēng)險越來越值得關(guān)注(Gilbert, 2013)。但目前由于對科學(xué)認(rèn)知的局限性、生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、生物技術(shù)的新穎性和部分領(lǐng)域的未知性,轉(zhuǎn)基因作物種植是否會帶來環(huán)境安全問題,尤其是對生物多樣性的影響,尚未得出明確結(jié)論(劉華鋒和沈海濱, 2013)。部分研究表明,轉(zhuǎn)基因作物種植對根際土壤微生物、昆蟲、雜草等的群落結(jié)構(gòu)與組成無顯著影響(Leeetal., 2017; 尹俊琦等, 2017; 劉來盤等, 2019);但也有研究認(rèn)為其種植會影響田間生物多樣性(Turrinietal., 2015; 姜文虎等, 2018)。這表明,轉(zhuǎn)基因作物對生物多樣性的影響因受體、外源基因等的差異而有所不同,對其的安全評價應(yīng)遵循“個案原則”(劉標(biāo)等, 2016)。
大豆作為全球種植面積最大的油料作物,占據(jù)了油料總產(chǎn)量的50%以上。隨著對大豆需求的日益增長,轉(zhuǎn)基因大豆因成本低、產(chǎn)量大,成為全球大豆的主要來源,帶來了顯著的社會經(jīng)濟效益(譚巍巍等, 2019)。g10-epsps基因因其對除草劑的優(yōu)良抗性已逐漸應(yīng)用于大豆、棉花、玉米等作物,轉(zhuǎn)g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33是我國自主研發(fā)、具有知識產(chǎn)權(quán)的新型轉(zhuǎn)基因大豆材料,對我國轉(zhuǎn)基因作物發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。但因其目前仍處于田間釋放階段,針對環(huán)境安全方面的研究較為有限,其是否會對田間生物多樣性產(chǎn)生影響仍未得到明確結(jié)論。本研究以轉(zhuǎn)g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33為研究對象,重點探討其種植對田間節(jié)肢動物、雜草多樣性的影響,以期為其生態(tài)安全評價提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。
試驗地位于安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院崗集生態(tài)農(nóng)業(yè)試驗示范基地(31°57′49″N, 117°12′28″E),實驗材料為轉(zhuǎn)g10-epsps基因耐除草劑大豆ZUTS-33(浙江大學(xué)提供)、受體華春3號(HC-3)、本地主栽大豆品種中黃13(ZH-13)。
實驗采取隨機區(qū)組設(shè)計,共種植4種處理大豆品種,分別為噴施清水的ZUTS-33, HC-3和ZH-13,以及噴施目標(biāo)除草劑的轉(zhuǎn)基因大豆ZUTS-33;每處理4次重復(fù),每個小區(qū)150 m2(10 m×15 m),小區(qū)間設(shè)置1 m寬空白隔離帶,于2019年6月初播種,采用雙粒穴播,株距0.2 m,行距0.5 m。于2019年7月20日對需噴目標(biāo)除草劑處理的小區(qū)噴施草甘膦除草劑農(nóng)達(dá)(Roundup),施用劑量為3 000 mL/hm2。其他3種處理均不噴施除草劑、不進行人工除草。根據(jù)《農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全管理通用要求試驗基地》要求,本次轉(zhuǎn)基因大豆種植符合監(jiān)管部門要求的隔離距離且隔離距離內(nèi)無野生近緣種,同時符合要求的其他相關(guān)規(guī)定。
1.2.1田間節(jié)肢動物調(diào)查:從大豆出苗到成熟,即2019年6月11日-9月10日,采用直接觀察法,每7 d調(diào)查一次(具體調(diào)查時間可根據(jù)天氣情況做適當(dāng)調(diào)整),共調(diào)查13次。調(diào)查采用五點法,避開道路等影響因素,每點調(diào)查20株,記載田間節(jié)肢動物的種類和數(shù)量。
1.2.2田間雜草調(diào)查:每小區(qū)按照五點采樣法選取5個1 m×1 m樣方(避開節(jié)肢動物調(diào)查選取的點),在噴施除草劑前(7月10日)調(diào)查1次、噴施除草劑后調(diào)查3次(7月30日、8月5日、8月27日),記錄各樣方雜草種類和植株數(shù)量。
統(tǒng)計分析各個調(diào)查時期節(jié)肢動物與雜草群落的結(jié)構(gòu)與組成,計算其群落豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢集中性指數(shù)、均勻度指數(shù)。豐富度指數(shù):Dmg=(S-1)/lnN;香農(nóng)指數(shù):H=-∑PilnPi;辛普森指數(shù):D=1-∑Pi2;優(yōu)勢集中性指數(shù):C=∑(Ni/N)2;均勻度指數(shù):J=H/lnS。式中,S為物種數(shù),Pi=Ni/N,Ni為第i個物種的個體數(shù),N為總個體數(shù)(Krebs, 1999)。
利用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理,利用SPSS 16.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。使用Duncan氏復(fù)極差檢驗進行多重比較。
圖1 2019年大豆田節(jié)肢動物數(shù)量(安徽合肥)
2.1.1對田間節(jié)肢動物多樣性的影響:2019年6-9月,13次調(diào)查安徽合肥大豆田節(jié)肢動物數(shù)量(百株蟲口數(shù))的統(tǒng)計結(jié)果顯示(圖1),大豆生長的前期至中期(6月11日-8月20日),噴施清水的轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆ZUTS-33、受體大豆HC-3和本地主栽大豆ZH-13以及噴施除草劑的ZUTS-33上的百株蟲口數(shù)變化趨勢較為一致,僅8月13日噴施清水的ZUTS-33上百株蟲口數(shù)顯著高于其他3種處理(P<0.05);大豆生長后期的3次(8月27日、9月3日和9月10日)調(diào)查結(jié)果顯示,4種處理間百株蟲口數(shù)存在一定差異,噴施清水和除草劑的ZUTS-33上百株蟲口數(shù)高于噴施清水的HC-3與ZH-13上的,這與不同品種生長周期的差異有關(guān)。
比較不同調(diào)查時期4種處理間田間節(jié)肢動物的多樣性指數(shù)(圖2),發(fā)現(xiàn)各指標(biāo)均表現(xiàn)為在大豆生長的前期、中期4種處理間差異不顯著(P>0.05)。從豐富度指數(shù)(圖2: A)來看,僅9月3日調(diào)查結(jié)果顯示4種處理間存在差異,表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13之間差異不顯著(P>0.05),但顯著高于噴施清水的HC-3(P<0.05),噴施清水的HC-3、噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13間差異不顯著(P>0.05)。香農(nóng)指數(shù)分析(圖2: B)顯示,13次調(diào)查4種處理間差異均不顯著(P>0.05)。辛普森指數(shù)分析(圖2: C)顯示,僅8月13日、9月3日、9月10日3次調(diào)查4種處理間存在顯著差異,8月13日表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33顯著低于其他3種處理;9月3日表現(xiàn)為噴施清水的HC-3顯著低于其他3種處理(P<0.05);9月10日則表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33的辛普森指數(shù)與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13間差異不顯著(P>0.05),但顯著高于噴施清水的HC-3(P<0.05),噴施清水的HC-3、噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13三者間差異不顯著(P>0.05)。優(yōu)勢集中性指數(shù)分析(圖2: D)顯示,僅8月13日、9月3日、9月10日3次調(diào)查4種處理間存在顯著差異(P<0.05),8月13日表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33間差異不顯著(P>0.05),但顯著高于噴施清水的HC-3和ZH-13(P<0.05);9月3日表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13三者間差異均不顯著(P>0.05),但三者均顯著低于噴施清水的HC-3(P<0.05);9月10日則表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13間差異不顯著(P>0.05),但顯著低于噴施清水的HC-3(P<0.05),噴施清水的HC-3、噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13三者間差異不顯著(P>0.05)。均勻度指數(shù)分析(圖2: E)顯示,8月13日、8月20日2次調(diào)查4種處理間存在顯著差異(P<0.05),8月13日表現(xiàn)噴施清水的ZUTS-33顯著低于噴施清水的HC-3、噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13(P<0.05);8月20日表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33與噴施除草劑的ZUTS-33和噴施清水的ZH-13間差異不顯著(P>0.05),但這3種處理的均勻度指數(shù)均顯著低于噴施清水的HC-3。從整體上看,轉(zhuǎn)g10-epsps基因耐除草劑大豆ZUTS-33的種植對田間節(jié)肢動物各生態(tài)指標(biāo)無顯著影響,生長后期存在一定差異可能與不同品種大豆生長周期的差異有關(guān)。
2.1.2對田間害蟲和天敵的影響:對大豆田粉虱(Aleyrodidae)、蚜蟲(Aphidoidea)、薊馬(Thripidae)、葉甲(Chrysomelidae)、葉蟬(Cicadellidae)和棉鈴蟲Helicoverpaarmigera6類害蟲數(shù)量進行統(tǒng)計分析,調(diào)查期間這6類害蟲的變化趨勢較為一致(圖3)。粉虱數(shù)量呈現(xiàn)先上升后期逐漸穩(wěn)定的趨勢,8月13日噴施清水的ZUTS-33處理粉虱數(shù)量高于其他3種處理,8月27日開始不同處理間存在一定差異,噴施清水和除草劑的ZUTS-33均高于噴施清水的HC-3與ZH-13上的(圖3: A);蚜蟲的發(fā)生高峰出現(xiàn)在7月23日、8月20日左右,4種處理變化趨勢較為一致,8月27開始不同處理間存在一定差異,噴施清水和除草劑的ZUTS-33均顯著高于噴施清水的HC-3與ZH-13(P<0.05)(圖3: B);薊馬表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢,發(fā)生高峰出現(xiàn)在7月11日左右(圖3: C);葉甲數(shù)量在整個生育期較為穩(wěn)定,9月3日、9月10日兩次調(diào)查結(jié)果顯示噴施清水的HC-3的葉甲數(shù)量顯著低于其他3種處理(圖3: D);葉蟬表現(xiàn)為先上升后降低的趨勢,7月數(shù)量相對較多(圖3: E);棉鈴蟲數(shù)量在整個生育期數(shù)量相對較少,各次調(diào)查均在20頭/百株以內(nèi)(圖3: F)。
圖2 2019年大豆田節(jié)肢動物生物多樣性指數(shù)(安徽合肥)
圖3 2019年大豆田6類害蟲種群動態(tài)(安徽合肥)
對大豆田蜘蛛(Araneida)、瓢蟲(Coccinellidae)、草蛉(Chrysopidae)、花蝽(Anthocoridae)、盲蝽(Miridae)和造橋蟲Anomisflava6類天敵數(shù)量進行統(tǒng)計分析,調(diào)查期間這6類天敵的變化趨勢較為一致(圖4)。蜘蛛、瓢蟲和花蝽數(shù)量呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢,蜘蛛發(fā)生高峰在7月23日左右,瓢蟲表現(xiàn)為7月末至8月中數(shù)量相對較大,花蝽發(fā)生高峰在6月末至7月初;草蛉呈現(xiàn)“升高-降低-升高-降低”的趨勢,7月中與8月末數(shù)量相對較大;盲蝽與造橋蟲數(shù)量較少,各處理均在15頭/百株以內(nèi)。
2.2.1對田間雜草密度的影響:噴施除草劑前(7月10日)的調(diào)查結(jié)果顯示,4種處理的田間雜草密度差異均不顯著(P>0.05);7月30日、8月5日和8月27日的調(diào)查結(jié)果則表現(xiàn)為噴施除草劑的ZUTS-33田間雜草密度顯著低于噴施清水的ZUTS-33, HC-3和ZH-13(P<0.05),且該3次調(diào)查中4種處理大豆田雜草密度均低于7月10日的調(diào)查結(jié)果(圖5)。
2.2.2對田間雜草物種組成的影響:不同處理大豆田雜草發(fā)生種類有8科10種(表1和表2)。噴施除草劑前(7月10日)的調(diào)查結(jié)果顯示,4種處理間除蓮子草和牽牛存在一定差異外,田間其他種類雜草的植株數(shù)量差異均不顯著(P>0.05);7月30日、8月5日、8月27日3次調(diào)查均顯示,噴施除草劑的ZUTS-33田間各類雜草數(shù)量均顯著低于其他3個噴施清水的處理(P<0.05),且3個噴施清水的處理間整體上差異不顯著(P>0.05),表明轉(zhuǎn)g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33的種植對田間雜草數(shù)量無顯著影響,但噴施除草劑對田間雜草的控制效果顯著。
2.2.3大豆田雜草群落特征:對各處理大豆田雜草群落各多樣性指數(shù)進行分析(圖6),豐富度指數(shù)顯示,7月10日與7月30日的調(diào)查結(jié)果均為4種處理間差異不顯著(P>0.05);8月5日則表現(xiàn)為噴施除草劑的ZUTS-33的豐富度指數(shù)顯著低于噴施清水的HC-3和ZH-13(P<0.05),但與噴施清水的ZUTS-33間差異不顯著(P>0.05);8月27日的調(diào)查結(jié)果表現(xiàn)為噴施除草劑的ZUTS-33的豐富度指數(shù)顯著低于噴施清水的3種處理(P<0.05)。香農(nóng)指數(shù)分析結(jié)果顯示,7月10日的調(diào)查結(jié)果為4種處理間差異均不顯著(P>0.05);7月30日的調(diào)查則表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33與HC-3和ZH-13間差異不顯著(P>0.05),噴施除草劑的ZUTS-33的香農(nóng)指數(shù)顯著低于噴施清水的3種處理(P<0.05)。8月5日、8月27日的調(diào)查結(jié)果均表現(xiàn)為噴施清水的3種處理間香農(nóng)指數(shù)差異不顯著(P>0.05),但噴施除草劑的ZUTS-33的香農(nóng)指數(shù)顯著低于其他3種處理(P<0.05)。辛普森指數(shù)分析結(jié)果顯示,7月10日的調(diào)查結(jié)果為4種處理差異間均不顯著(P>0.05);7月30日、8月5日、8月27日的調(diào)查則表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33與HC-3和ZH-13間差異不顯著(P>0.05),但噴施除草劑的ZUTS-33與噴施清水的3種處理間差異顯著(P<0.05)。均勻度指數(shù)分析結(jié)果顯示,7月10日的調(diào)查結(jié)果為4種處理間差異均不顯著(P>0.05);7月30日、8月5日、8月27日均表現(xiàn)為噴施清水的ZUTS-33與HC-3和ZH-13間差異不顯著(P>0.05),但噴施除草劑的ZUTS-33與其他處理間存在顯著差異(P<0.05)。分析結(jié)果表明,抗除草劑大豆ZUTS-33的種植對田間雜草各多樣性指數(shù)無顯著影響,但后期噴施除草劑會對其產(chǎn)生一定影響。
節(jié)肢動物是生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分, 處于食物鏈中的關(guān)鍵位置,在維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)正常功能上發(fā)揮著重要作用(戈峰等, 2014; 王尚等, 2014),其多樣性可體現(xiàn)生物與生物、生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系,被視為是評價轉(zhuǎn)基因作物生態(tài)風(fēng)險的重要指標(biāo)。本研究重點分析了轉(zhuǎn)g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33對田間節(jié)肢動物的影響,從調(diào)查結(jié)果上來看,各處理間大豆生長前期至中后期田間百株蟲口數(shù)及各生態(tài)指標(biāo)間差異不顯著(P>0.05)(圖1),后期出現(xiàn)差異的主要原因可能是不同品種大豆生長周期有所不同,HC-3與ZH-13生長周期相對較短,完熟期出現(xiàn)較早,導(dǎo)致調(diào)查后期其田間節(jié)肢動物種類、數(shù)量出現(xiàn)不同程度的下降;其次,除草劑的施用會使田間與雜草關(guān)系緊密的節(jié)肢動物數(shù)量出現(xiàn)一定的波動(Cerdeiraetal., 2007),噴施除草劑的處理在后期噴施農(nóng)達(dá)后雜草的減少使田間節(jié)肢動物發(fā)生了一定變化。本研究得出的轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆的種植對田間節(jié)肢動物影響不顯著的結(jié)論與前人報道較為一致。已有研究表明,轉(zhuǎn)基因大豆(李凡等, 2013)、玉米(何浩鵬等, 2018; 張洵銘等, 2018; 任夢云等, 2019)等的種植對田間節(jié)肢動物多樣性的影響不顯著,轉(zhuǎn)基因作物的種植對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不存在潛在風(fēng)險(康嶺生等, 2014)。陳偉等(2019)對抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆SHZD32-01的研究發(fā)現(xiàn)其對田間主要節(jié)肢動物數(shù)量、群落特征無顯著影響;Buckelew (2000)研究發(fā)現(xiàn),與對照相比,抗除草劑大豆田葉甲和馬鈴薯葉蟬的數(shù)量未出現(xiàn)顯著變化;Mcpherson等(2003)亦認(rèn)為轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆田節(jié)肢動物豐度與常規(guī)大豆相比無顯著差異;Marques等(2018)發(fā)現(xiàn)與非轉(zhuǎn)基因大豆相比,轉(zhuǎn)基因大豆DAS-81419-2對田間非靶標(biāo)昆蟲多樣性無顯著影響。但是也有研究得出了不同的結(jié)論,認(rèn)為轉(zhuǎn)基因抗蟲作物的種植會在一定程度上造成田間天敵昆蟲數(shù)量的下降及非靶標(biāo)昆蟲數(shù)量的上升(劉清松等, 2014);部分研究認(rèn)為轉(zhuǎn)基因抗蟲作物可能影響田間節(jié)肢動物群落的豐富度和多樣性,從而提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性(Bhattietal., 2005; Bitzeretal., 2005)。
表1 2019年大豆田發(fā)生雜草種類(安徽合肥)
從本研究的結(jié)果來看,無論是田間雜草密度還是各生態(tài)學(xué)指標(biāo),轉(zhuǎn)g10-epsps基因抗除草劑大豆ZUTS-33的種植并未對其產(chǎn)生顯著影響(P>0.05)(圖5; 表2),這與已有的部分研究結(jié)果較為一致。劉來盤等(2019)研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)g10-epsps基因耐除草劑大豆田雜草多樣性與受體大豆差異不顯著;陳偉等(2019)指出,與受體中豆32相比,抗草甘膦轉(zhuǎn)基因大豆SHZD32-01種植1年后對田間雜草多樣性無顯著影響;張卓(2011)研究發(fā)現(xiàn)抗草甘磷轉(zhuǎn)基因大豆AG5601、呼交03-263、呼交06-698的種植對田間雜草密度、均度、頻率、豐富度均未產(chǎn)生顯著影響;趙思楠(2016)研究發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)G10evo-epsps基因和cry1Ab/cry2Aj融合基因抗蟲耐草甘膦玉米雙抗12-6田間雜草種類、密度等均與對照無明顯差異,即雙抗12-6對田間雜草多樣性無顯著影響。但Bohan等(2005)研究發(fā)現(xiàn),抗草甘膦油菜的種植使田間單子葉、雙子葉雜草比例發(fā)生了變化;也有研究認(rèn)為轉(zhuǎn)基因作物的競爭優(yōu)勢搶占生存空間,可能產(chǎn)生“化感”作用以抑制雜草生長(Inderjit and Keating, 1999)。
本研究得出,噴施草甘膦除草劑農(nóng)達(dá)后對大豆田雜草的控制效果較為明顯,同時對雜草豐富度、多樣性等生態(tài)學(xué)指標(biāo)產(chǎn)生了一定的影響(圖6)。已有研究表明應(yīng)用草甘膦對轉(zhuǎn)基因大豆雜草防除效果明顯(陳銀竹等, 2018);Shaner (2000)研究指出,噴施草甘膦會造成田間雜草群落結(jié)構(gòu)的改變,使莧、藜等雜草的發(fā)生頻繁增加。
表2 2019年大豆田雜草物種數(shù)量調(diào)查結(jié)果(安徽合肥)
圖6 2019年大豆田雜草群落各生物多樣性指數(shù)(安徽合肥)
關(guān)于轉(zhuǎn)基因作物對生物多樣性影響的研究結(jié)果之所以存在差異,與轉(zhuǎn)基因作物本身受體的類型、導(dǎo)入的外源基因、選擇的評價指標(biāo)以及研究方法等密切相關(guān),在接下來的研究中,需遵循個案原則(劉標(biāo)等, 2016),擴大研究范圍,運用長期定位觀測模式,進行更深入的分析,注重監(jiān)測轉(zhuǎn)基因作物對土壤生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)蠕變效應(yīng)的有效性和及時性,明確其影響機制、強度及持續(xù)效應(yīng),更加科學(xué)、系統(tǒng)、準(zhǔn)確地進行轉(zhuǎn)基因作物的生態(tài)安全評價,以得到更加明確的結(jié)論。