山西省典型土壤施入含四环素鸡粪对玉米生长的影响

秦俊梅，胡可，马祥爱，郭晋

（1.山西农业大学 资源环境学院，山西 太谷030801；2.中国农业大学 资源环境学院，北京100193）

目前，抗生素大量用于人和动物的疾病治疗，同时，也作为饲料添加剂在畜禽养殖中广泛应用，以提高饲料利用率，促进动物的生长［1］。在兽用抗生素中，土霉素（Oxytetracycline，OTC）和四环素（Tetracycline）等四环素类抗生素是应用最广泛、使用量最大的一类抗生素［2］。研究表明，抗生素摄入后除少部分残留在体内，85% 以上以原药和代谢产物的形式经由病人与动物的粪尿排出体外，进入生态环境［3］。随人类排泄物直接进入城市废水，动物排泄物作为肥料播散于农田，对农田土壤、地表和地下水及生态系统中各类生物产生危害，并诱发和传播各类抗生素耐药致细菌，对人类健康产生威胁［4］。

近年来，有机肥料中的抗生素对农田土壤环境和植物生长的影响逐渐被人们重视。含抗生素的有机肥料应用于农田土壤中，对环境造成潜在的污染和危害。国内外对抗生素的研究主要集中在土壤、水体、动物性食品和蔬菜中［1，5～10］，畜禽粪便中抗生素的残留也有一些报道［11～14］，农田土壤施入含抗生素的有机肥对植物生长的影响研究甚少。因此，本文研究了在土壤中施入含四环素的鸡粪对玉米生长的影响，以期为合理使用抗生素及有机肥料在农田中的安全施用提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

1.1.1 土壤样本

供试土壤：

（1）石灰性粘壤土，采自山西省太谷县农田耕层（0～20cm）。

（2）石灰性砂壤土，采自山西省五寨县农田耕层（0～20cm）。

土样风干后，分别过2mm和1mm筛，充分混匀，进行土壤盆栽试验和土壤基本理化性质的测定。供试土壤基本理化性质见表1。

表1 供试土壤基本理化性质Table 1 Basic physicochemical property of experimental soil

1.1.2 鸡粪样本

供试鸡粪采自陵川县大型养殖场，一种为按照鸡标准摄入量在鸡饲料中人为加入兽药四环素而排出的鸡粪，另一种为饲料中未加入四环素排出的鸡粪，样本为新鲜鸡粪，多点取样，混合取回，一部分粪便样品将其冷冻干燥测定四环素含量，其它粪便样品自然风干待用。含四环素鸡粪的四环素含量为192.567mg·kg－1。

1.1.3 供试玉米

玉米为高玉4号（生长期128天）。

1.1.4 试验药品

盆栽所用化肥为CO（NH2）2、Ca（H2PO4）2和K2SO4（均为分析纯），其施用量分别为CO（NH2）20.15g·kg－1土、Ca（H2PO4）20.05g·kg－1土和K2SO40.1g·kg－1土。

1.2 试验方法

1.2.1 盆栽方案

盆栽试验共设5个处理，T1－不加鸡粪（空白对照）；T2－添加不含四环素鸡粪6.4g·kg－1；T3－添加含四环素鸡粪6.4g·kg－1；T4－添加不含四环素鸡粪12.8g·kg－1；T5－添加含四环素鸡粪12.8 g·kg－1，每个处理3个重复，盆栽采用底部内径14cm、上部内径19cm、高25cm的塑料盆，每盆装土12.5kg，随机排列。

将一定量的鸡粪添加到过1mm筛的石灰性褐土中混匀，再与过2mm滤筛的石灰性褐土以及化肥混合均匀后装盆，并以去离子水调至田间持水量。

1.2.2 盆栽与采样

2011年4月12日播种，采用直播方式。3叶期间苗，每盆保留1株。盆栽试验期用蒸馏水浇灌（以不渗漏为准），人工防治虫害，不喷施农药。

8月27日盆栽收割，用不锈钢剪刀从土面上将玉米剪断，将茎叶、籽粒分类装入信封。并将土倒出，尽量无损取出玉米根，然后依次用自来水、蒸馏水洗净后装于信封内，同玉米茎、叶、籽粒同时放入烘箱，烘干后称重。

1.2.3 测定项目与方法

土壤基本理化性质测定：pH值采用玻璃电极法（土水比为1∶2.5）；有机质采用重铬酸钾容量法（外加热法）；有效（碱解）氮采用碱解扩散法；速效磷采用0.5mol·L－1NaHCO3浸提，钼蓝比色法；速效钾采用0.25mol·L－1NH4OAc浸提火焰光度计法；全氮采用半微量开氏法；机械组成采用比重计法［15］。

采用高效液相色谱法（HPLC）测定鸡粪中四环素的含量。

7月5日上午，天气晴朗，利用 CCM－200 ChlorophyⅡ（Content Meter Opti－Sciences，Inc.）测定玉米叶片（主茎叶从上向上数第3片叶子）的叶绿素含量。7月14日上午，晴朗无云，利用便携式光合仪CI－310（思爱迪生态科学仪器有限公司）测定田间玉米叶片（主茎从上向下数第3片叶子）的净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）光合参数的变化，每个处理重复测定3次。

1.3 数据处理

采用 DPSV 7 55软件进行数据统计分析，LSD法进行多重比较；采用 Microsoft Excel 2003软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对不同土壤中玉米生长的影响

2.1.1 不同处理对玉米株高和根长的影响

从表2可以看出，石灰性粘壤土的玉米株高、根长各处理间达到显著水平；石灰性砂壤土的玉米株高处理间不显著，根长处理间达到显著水平。相同处理的石灰性粘壤土、砂壤土玉米株高和根长其变化趋势相近。石灰性粘壤土、砂壤土玉米株高和根长最高值均为T4处理，这与施鸡粪量的增大有关，两种土壤玉米株高和根长最低值均为T1处理。还可以看出，两种土壤玉米株高、根长在含四环素鸡粪的处理中均低于不含四环素鸡粪的处理，即含四环素鸡粪在一定程度上抑制了玉米株高和根长，尤其石灰性粘壤土中玉米根长随含四环素鸡粪的增加降低幅度较大，如T4根长为99.1cm，T5根长为74.0cm，降低了25.3%。总体趋势为各处理玉米的株高和根长是石灰性砂壤土低于石灰性粘壤土。

表2 不同土壤对玉米株高和根长多重比较／cmTable 2 Multiple comparison of plant height and root length in different soils

2.1.2 不同处理对玉米茎叶、根、籽粒干重的影响

从表3可以看出，石灰性粘壤土中玉米的茎叶、根、籽粒重各处理间达到显著水平，石灰性砂壤土中玉米的茎叶重处理间达到显著水平，根及籽粒重各处理间差异不显著。相同处理的石灰性粘壤土、砂壤土玉米茎叶、根和籽粒重变化趋势相近。石灰性粘壤土、砂壤土玉米茎叶、根、籽粒重最高值均为T4处理，最低值均为T1处理。并可看出两种土壤玉米茎叶、根、籽粒重在含四环素鸡粪的处理中均低于不含四环素鸡粪的处理，说明四环素的存在在一定程度上抑制了玉米茎叶、根、籽粒干重，表现较明显的是石灰性粘壤土T5处理中玉米的茎叶重明显低于T4处理，降低了35%。总体趋势为各处理玉米的茎叶、根和籽粒重是石灰性砂壤土低于石灰性粘壤土。

2.2 不同处理对不同土壤中玉米光合参数的影响

2.2.1 不同处理对玉米净光合速率的影响

光合作用是植物最基本的生理过程，各种自然因子，如干旱、淹水、低温、盐害等都会直接或间接地影响光合作用［16］。从表4中可以看出，石灰性粘壤土、砂壤土各处理间玉米的净光合速率达到了显著水平，相同处理两种土壤的玉米净光合速率出现了一致趋势。石灰性粘壤土、砂壤土玉米净光合速率最高值均为T4处理，最低值均为T1处理。同时，两种土壤玉米净光合速率在含四环素鸡粪的处理中均低于不含四环素鸡粪的处理，如T3＜T2，T5＜T4，说明含四环素的存在对玉米净光合速率同样有抑制作用。各处理玉米的净光合速率是石灰性砂壤土均低于石灰性粘壤土。

表3 不同土壤对玉米茎叶、根、籽粒干重多重比较／gTable 3 Multiple comparison of dry weight of cauline leaf，root and grain of corn in different soils

表4 不同土壤对玉米净光合速率（Pn）多重比较／μmol·m－2·s－1Table 4 Multiple comparison of corn Pn in different soils

2.2.2 不同处理对玉米气孔导度的影响

气孔是空气中CO2进入植物体和植物体内水分蒸发的主要通道，它主要控制植物的两个生理过程，即控制光合作用中CO2吸收和蒸腾作用中水分的代谢；与植物叶片的蒸腾和光合性能有着密切的关系［17］。光合速率与气孔导度成正相关，当气孔导度增大时，叶片光合速率相应增加。从表5中可以看出，石灰性粘壤土、砂壤土各处理间玉米的气孔导度达到了显著水平，相同处理两种土壤的玉米气孔导度与净光合速率出现了一致趋势，石灰性粘壤土、砂壤土玉米气孔导度最高值均为T4处理，最低值均为T1处理。四环素的存在同样对两种土壤玉米气孔导度有抑制作用，如T3＜T2，T5＜T4。各处理玉米的气孔导度是石灰性砂壤土均低于石灰性粘壤土。

表5 不同土壤对玉米气孔导度（Gs）多重比较／mmol·m－2·s－1Table 5 Multiple comparison of corn Gs in different soils

2.2.3 不同处理对玉米蒸腾速率的影响

由表6可以看出，石灰性粘壤土各处理间玉米的蒸腾速率达到了显著水平，砂壤土各处理间差异不显著。相同处理两种土壤的玉米蒸腾速率与气孔导度和净光合速率出现了一致趋势，三者呈正相关关系，石灰性粘壤土、砂壤土玉米蒸腾速率最高值均为T4处理，最低值均为T1处理。四环素的存在同样对两种土壤玉米蒸腾速率有抑制作用，如T3＜T2，T5＜T4，其中抑制较明显的是石灰性粘壤土，各处理玉米的蒸腾速率是石灰性砂壤土均低于石灰性粘壤土。

表6 不同土壤对玉米蒸腾速率（Tr）多重比较／mmol·m－2·s－1Table 6 Multiple comparison of corn Tr in different soils

2.2.4 不同处理对玉米蒸腾速率的影响

CO2是植物进行光合作用制造有机物质的原料，大气中CO2的含量对植物进行光合作用有直接影响。植物胞间CO2浓度越高，气孔内外CO2浓度差越小，气孔能吸收的CO2越少，光合速率越低。

从表7可以看出，石灰性粘壤土、砂壤土各处理间玉米胞间CO2浓度达到了显著水平。两种土壤各处理间的胞间CO2浓度与净光速率成负相关。石灰性粘壤土、砂壤土玉米胞间CO2浓度最高值均为T1处理，最低值均为T4处理。还可看出，四环素的存在同样对两种土壤玉米胞间CO2浓度有影响作用，如T2＜T3，T4＜T5，其中表现较明显的是石灰性粘壤土。

表7 不同土壤对玉米胞间CO2浓度（Ci）多重比较／mmol·m－2·s－1Table 7 Multiple comparison of corn Ci in different soils

2.3 不同处理对不同土壤中玉米叶绿素的影响

叶绿素是捕获光能，进行光能转换的基本色素，叶绿素的增加有利于植物捕获较多的光能。从表8可以看出，石灰性粘壤土各处理间玉米叶绿素达到了显著水平，砂壤土各处理间差异不显著。石灰性粘壤土、砂壤土玉米叶绿素含量最高值均为T4处理，最低值均为T1处理，还可看出，两种土壤玉米叶绿素在含四环素鸡粪的处理中均低于不含四环素鸡粪的处理，说明含四环素鸡粪的土壤对玉米叶绿素合成也有一定抑制作用，如T3＜T2，T5＜T4，其抑制作用最为明显的是石灰性砂壤土。

表8 不同土壤对玉米叶绿素多重比较（CCI）Table 8 Multiple comparison of corn chlorophyll in different soils

3 结论与讨论

光合作用是植物十分复杂的生理过程，叶片净光合速率与自身因素如叶绿素含量、叶片厚度、叶片成熟度等密切相关，又受光照强度、气温、空气相对湿度、土壤含水量等影响［18］。研究结果表明，除玉米的胞间二氧化碳浓度（Ci）以外，石灰性砂壤土各处理玉米的株高、根长、茎叶重、根重、籽粒重、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素等指标均低于石灰性粘壤土，其原因与砂壤土的特性有直接关系，砂壤土本身矿质元素含量低于粘土壤，如钾、磷等参与糖类代谢，缺乏时便影响糖类的转变和运输，所以对光合作用影响很大，除此之外，还与砂壤土水分含量有关，砂壤土与粘壤土相比其保水性差，温度高时砂壤土其蒸发较粘壤土快，而气孔导度的大小，跟水分含量较密切，当水分亏缺时叶片中脱落酸量增加，从而引起气孔关闭，导度下降，光合速率也下降［19］，随着光合速率的下降，砂壤土的蒸腾速率、气孔导度及生长特性也将受到影响，因此，本试验中净光合速率与气孔导度和蒸腾速率之间呈正相关，这与张美善等［20］对西洋参片的研究报道相吻合，本研究还表明净光合速率与胞间CO2浓度呈负相关，这与翁晓燕等［21］对水稻的研究结果一致。

抗生素对植物生长造成影响的因素很多，包括抗生素含量、生物降解性以及在土壤、水中的迁移情况等。Royse等研究表明，过多的抗生素对植物生长产生不利的影响［22，23］。Batchelder还发现，土壤中的抗生素对植物造成的影响具有很大的差异性［24］。不同种类的抗生素对不同种类的植物产生的影响是截然不同的。有的抗生素在一定浓度范围内对一些植物的生长有刺激作用，有的却有抑制作用，本文研究证明，石灰性粘壤土、石灰性砂壤土施入含四环素鸡粪对玉米的株高、根长、茎叶重、根重、籽粒重、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、叶绿素等指标有明显抑制作用。

［1］国彬，莫测辉，张茂生，等.典型抗生素在土壤—水—蔬菜系统中迁移分布的研究［J］.生态科学，2009，28（2）：169－173.

［2］李兆君，姚志鹏，张杰，等.兽用抗生素在土壤环境中的行为及其生态毒理效应研究进展［J］.生态毒理学报，2008，3（1）：15－20.

［3］Hartmann A，Alder A C，Koller T，et al.Identification of fluoroquinolone antibiotics as the main source of umuc genotoxicity in native hospital wastewater［J］.Environmental Toxicology and Chemistry，1998，17：377－382.

［4］王冉，刘铁铮，王恬.抗生素在环境中的转归及其生态毒性［J］.生态学报，2006，26（1）：265－270.

［5］Kay P，Blackwell P A，Boxall A B A，et al.Column studies to investigate the fate of veterinary antibiotics in clay soils following skurry application to agricultural land［J］.Chemosphere，2005，60：497－507.

［6］俞道进，曾振灵，陈杖榴.四环素类抗生素残留对水生态环境影响的研究进展［J］.中国兽医学报，2004，24（5）：515－517.

［7］Feng C，Guang G Y，Ling X U，et al.Distribution and accumulation of endocrine－disrupting chemicals and pharmaceuticals in wastewater irrigated soils in Hebei，China［J］.Environmental Pollution，2011，159：1490－1498

［8］Hirsch R，Ternes T，Haberer K，et al.Occurrence of antibiotics in the aquatic environment［J］.Science of the Total Environment，1999，225：109－118.

［9］Michael P，Schlüsener，Kai Bester.Persistence of antibiotics such as macrolides，tiamulin and salinomycin in soil［J］.Environmental Pollution，2006，143：565－571.

［10］Castellari M，Gratacós－CubarsíM，García－Reg ueiro J A.Detection of tetracycline an Oxytetracycline residues in pig and calf hair by ultra－high－performance liquid chromatography tandem mass spectrometry［J］.Journal of Chromatography A，2009，1216：8096－8100.

［11］张树清，张夫道，刘秀梅，等.规模化养殖畜禽粪主要有害成分测定分析研究［J］.植物营养与肥料学报，2005，11（6）：822－829.

［12］Elena M C，Carmen G B，Scharf S，et al.Environmental monitoring study of selected veterinary antibiotics in animal manure and soil in Austria［J］.Environmental Pollution，2007，148：1－10.

［13］张慧敏，章明奎，顾国平.浙北地区畜禽粪便和农田土壤中四环素类抗生素残留［J］.生态与农村环境学报，2008，24（3）：69－73.

［14］陈昦，董元华，王辉，等.江苏省畜禽粪便中磺胺类药物残留特征［J］.农业环境科学学报，2008，27（1）：385－389.

［15］鲍士旦.土壤农化分析［M］.北京：中国农业出版社，2000：30－108.

［16］王泽港，骆建峰，高红明，等.1，2，4－三氯苯和萘对水稻抽穗期叶片光合特性的影响［J］.中国农业科学，2005，38（6）：1113－1119.

［17］战吉宬，黄卫东，王秀芹，等.弱光下生长的葡萄叶片蒸腾速率和气孔结构的变化［J］.植物生态学报，2005，29（1）：26－31.

［18］张治安，杨福，陈展宇，等.菰叶片净光合速率日变化及其与环境因子的相互关系［J］.中国农业科学，2006，39（3）：502－509.

［19］任永波，任迎虹.植物生理学［M］.成都：四川科学技术出版社，2000：105－110.

［20］张美善，徐克章.西洋参叶片光合日变化与内生节奏的关系［J］.吉林农业大学学报，2003，25（6）：595－597.

［21］翁晓燕，蒋德安，陆庆，等.影响水稻光合日变化因素的分析［J］.中国水稻科学，1998，12（2）：105－108.

［22］Royse D J，Ellis M A，Sinclair J B.Movement of penicillin into soy－bean seeds using dichloromethane［J］.Phytopatholgy，1975，65：1319－1320.

［23］Migliorel，Cozzolino S，Fiorina.Phytotoxocity to and uptake offlumequine used in intensive aquaculture on the aquatic weed，Lythrum Salicaria L［J］.Chemosphere，2000，40：741－750.

［24］Batchelder A R.Chlortetracycline and oxytetracycline effects on plant growth and development in soil systems［J］.J Environ Qual，1982，11：675－678.