4种熏蒸剂对土壤硝化作用及相关酶活性的影响

，3*

（1中国农业科学院植物保护研究所，北京100193；2农业部农药化学与应用重点开放实验室，北京100193；3现代农业产业技术体系北京市创新团队，北京 100029）

4种熏蒸剂对土壤硝化作用及相关酶活性的影响

马涛涛1，2郭美霞1，2颜冬冬1，2曹坳程1，2，3*毛连纲1，2王秋霞1，2李 园1，2欧阳灿斌1，2

（1中国农业科学院植物保护研究所，北京100193；2农业部农药化学与应用重点开放实验室，北京100193；3现代农业产业技术体系北京市创新团队，北京 100029）

以北京市顺义区黄瓜、番茄轮作3 a以上的温室土壤为对象，采用室内恒温通气培养法，研究氯化苦（Pic）、1，3-二氯丙烯（1，3-D）、二甲基二硫（DMDS）和威百亩（MS）等4种熏蒸剂对土壤硝化作用和几种相关酶活性的影响，并对Pic处理中可能影响硝氮含量变化的一些指标进行了相关性分析。结果表明：4种熏蒸剂处理均对土壤硝化作用有明显抑制作用，其中Pic、1，3-D和MS处理对土壤硝化作用的抑制持续28～56 d，而DMDS的抑制作用只有7 d左右；Pic对土壤蛋白酶活性表现出显著的增强作用，而MS则对蛋白酶活性有强烈的抑制作用；各熏蒸剂处理对土壤谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶均表现出不同程度的抑制作用。Pic处理土壤硝氮（-N）与铵氮（-N）、可溶性有机氮（DON）的相关系数分别为-0.977和0.887，均达极显著水平；与可溶性氨基酸（DAA）和土壤微生物量氮（SMBN）相关系数分别为-0.628和-0.645，均达显著水平。

熏蒸剂；氯化苦；1，3-二氯丙烯；二甲基二硫；威百亩；硝态氮；酶活性

土壤氮是植物生长和发育所必需的大量营养元素之一，也是植物从土壤中吸收量最大的矿质元素。土壤氮库中无机氮仅占土壤总氮量的1%，而植物所吸收的氮几乎都是无机形态，所以，土壤氮库中的有机氮必须不断地通过微生物的矿化作用转化为植物可吸收的有效态氮（张金波和宋长春，2004）。硝态氮（-N）淋洗是土壤氮素的主要损失途径，也是引起地下水污染的主要原因。土壤中累积的硝态氮如不能及时被作物吸收利用，在夏季持续降雨和大量灌溉条件下，会向下运移出作物根区，不但会降低生物有效性，而且会增加土壤深层-N累积量或直接进入浅层地下水造成污染（吕殿青 等，1999；Suprayogo et al.， 2002）。土壤熏蒸消毒是控制保护地土传病虫害最有效的方法（曹坳程 等，2010），但在杀死病原微生物的同时也会对土壤中非靶标微生物的组成产生强烈影响（Bending & Lincoln，2000；Tanaka et al.， 2003；Ibekwe，2004；Stromberger et al.， 2005；Roux-Michollet et al.，2008）。部分学者认为土壤熏蒸剂抑制土壤的硝化作用，熏蒸后土壤的-N浓度明显低于未熏蒸土壤（Draycott & Last，1971；Rovira，1976）。这是因为土壤中铵氮（-N）向-N转化是在硝化细菌作用下进行的，熏蒸剂能够杀灭细菌，从而抑制硝化作用（de Neve et al.， 2004）。但是Gasser和Peachey（1964）等报道溴甲烷和威百亩熏蒸处理能够明显提高土壤-N的浓度。为探讨熏蒸剂对土壤可渗性氮素转化过程的影响，本试验主要研究了4种不同熏蒸剂处理对土壤硝化作用的影响及氮转化过程中多种形态氮素间的相关性。

1 材料与方法

1.1 供试土样

2012年7月取北京市顺义区黄瓜、番茄轮作3 a以上的温室菜地土壤进行检测，经测供试土壤基本理化性质为：有机质含量20.67 g·kg-1、-N 38.31 mg·kg-1、-N 112.99 mg·kg-1、速效钾197.35 mg·kg-1、速效磷 305.73 mg·kg-1，阳离子交换量184.44 mmol·kg-1，pH值（土壤∶水=1∶2.5）6.43。用专业取土器钻取种植垄表层以下10～20 cm处的土壤。土壤采回后，剔除杂物及残留根系，过2 mm筛后加入2%葡萄糖预培养，恢复土壤的生物学活性，测定熏蒸剂处理前土壤酶活性。

1.2 供试药剂

99%氯化苦（Pic），大连染料化工有限公司生产；95% 1，3-二氯丙烯（1，3-D），湖南省岳阳市云溪区道仁矶溶剂化工厂生产；99%二甲基二硫原药（DMDS），上海元吉化工有限公司生产；42%威百亩水剂（MS），沈阳丰收农药有限公司生产。

1.3 试验方法

称取500 g土样放入2.5 L干燥器中，按照药剂与土壤质量比分别加入Pic 53 mg·kg-1、1，3-D 39 mg·kg-1、DMDS 68 mg·kg-1、MS 54 mg·kg-1（Spokas et al.， 2006），同时设置1组未添加熏蒸剂的对照，每处理3次重复。密封后置于25 ℃恒温箱中，熏蒸7 d，于通风橱下敞气5 min，使气体散尽。敞气后，将干燥器阀门打开，使空气能够自由进入干燥器内，有氧条件下恒温继续培养。从敞气时起定义为第0天，之后定期取样测定土壤中铵态氮（-N）、硝态氮（-N）、可溶性氨基酸（DAA）、微生物量碳（SMBC）、微生物量氮（SMBN）含量及土壤酶活性。每次取样前采用测质量法调节土壤含水量，使之恒定。

1.4 数据处理

采用SPSS 19.0软件进行数据分析，采用Origin 8.0软件进行作图。

2 结果与分析

图1 不同熏蒸处理对土壤-N含量的影响

作物能够改变土壤表面硝态氮的分布状况，限制土壤硝态氮向深层迁移（Wu et al.， 2003），但是超过作物需要，长期大量施用氮肥则会导致土壤中-N的累积（Liu et al.， 2003；Malhi et al.，2003），土壤熏蒸剂能够显著抑制氮素的硝化作用，使土壤经硝化作用产生的硝态氮缓慢释放给作物，提高氮素利用率和经济效益（Tanaka et al.， 2003；de Neve et al.， 2004；Yamamoto et al.， 2008）。此外，土壤熏蒸剂对防止硝态氮在地表大量累积、淋溶和反硝化产生有害气体也有一定的积极意义。

2.2 不同熏蒸剂处理对土壤硝化作用潜势（NP）的影响

土壤硝化作用潜势（NP）是反映土壤活性硝化菌群落大小的指标。由图2可知，熏蒸处理后第7天，4种药剂处理土壤的NP值急剧下降，Pic处理土壤NP为2.13 μg·kg-1·d-1，比对照下降了82.45%， MS、1，3-D和DMDS处理分别比对照下降68.95%、62.36%和54.94%。14～28 d，除DMDS处理组外，其他3种药剂处理土壤NP一直显著低于对照。35 d时Pic、DMDS和MS处理的土壤NP分别为10.12、11.28和10.65 μg· kg-1·d-1，与对照（11.20 μg·kg-1·d-1）差异不显著，而1，3-D处理的土壤NP（9.26 μg·kg-1· d-1）仍然显著低于对照，直到42 d后才逐渐恢复到对照水平。

图2 不同熏蒸处理对土壤硝化作用潜势（NP）的影响

图1和图2充分说明熏蒸剂处理能够在一定时间内抑制土壤氮素硝化作用，有效控制氮肥的大量积累，避免氮肥浪费，提高经济效益。但是，熏蒸在抑制土壤硝化作用的同时，也导致了土壤铵氮的积累，增大了铵氮挥发浪费的几率，应当引起关注。

2.3 不同熏蒸剂处理对土壤蛋白酶和氨化酶活性的影响

2.3.1 不同熏蒸剂处理对土壤蛋白酶活性影响经测定，熏蒸前土壤蛋白酶活性为25.60 μg· g-1·h-1。敞气后7 d，与对照相比，Pic熏蒸处理土壤蛋白酶活性增加了1.06倍，明显提高，即使去除Pic，土壤蛋白酶活性仍然继续增加，在28 d时达到最大值，为109.75μg·g-1·h-1，超过熏蒸前的3倍，培养结束时仍然比对照高14.21%。与之相反，MS处理显著降低土壤蛋白酶的活性，比对照下降24.25%，去除MS后，土壤蛋白酶活性有所恢复，但直到56 d之后才急剧上升，培养结束时，达到69.06 μg·g-1·h-1，比对照低7.4%。1，3-D和DMDS处理对土壤蛋白酶活性没有显著的影响（图3）。

图3 不同熏蒸处理对土壤蛋白酶活性的影响

2.3.2 不同熏蒸剂处理对土壤氨化酶活性影响 经测定，熏蒸前土壤谷氨酰胺酶活性为9.35 μg· g-1·h-1，土壤天冬酰胺酶活性为109.35 μg· g-1·h-1。如图4所示，Pic熏蒸处理对土壤氨化酶（谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶）活性影响最大，刚敞气时土壤谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶活性分别比未熏蒸之前降低了36.79%和68.99%，即使除去Pic后培养84 d，土壤谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶活性也没有恢复，仍然保持极低水平，仅为对照的45.83%和31.31%；1，3-D和DMDS仅在较短时间内对土壤谷氨酰胺酶活性有显著影响，1，3-D在熏蒸时对土壤天冬酰胺酶活性有一定的促进作用，敞气后7～84 d则表现为抑制作用；MS则与Pic相似，在整个培养过程中显著抑制了土壤谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶活性。

图4 不同熏蒸处理对土壤氨化酶活性的影响

2.4 土壤-N、DON、DAA、SMBN和SMBC间的相关性分析

由于Pic处理对土壤酶活性影响最大，因此选取Pic处理的相关数据进行相关性分析（表1）。Pic处理土壤中-N与-N的相关系数为-0.977，呈极显著负相关；-N与DON的相关系数为0.887，呈极显著正相关；-N与DAA和SMBN的相关系数分别为-0.628和-0.645，均呈显著负相关。说明土壤-N含量受多种因素的影响，因此熏蒸土壤中-N的含量大小要从多个角度进行分析。-N除了与-N呈极显著负相关外，与DON的相关系数为-0.850，呈极显著负相关。由-N、-N和DON的相关性得知，熏蒸土壤中-N与-N含量的变化与土壤DON的含量变化紧密相关。近年来，随着植物营养机理研究的深入以及对生态环境问题的关注，可溶性有机氮在不同生态系统氮素循环中的作用引起很多学者的重视（Kalbitz et al.， 2000）。有学者提出，土壤中的可溶性有机氮能反映出土壤有机氮矿化的难易程度，可以作为反映土壤氮素矿化能力的一个指标（Kalbitz et al.， 2000；Murphy et al.，2000；Zhong & Makeschin，2003）。熏蒸后可溶性有机氮含量的大幅上升增强了有机氮矿化为无机氮的过程（Zhang et al.， 2011），有助于植物对氮素的吸收利用。熏蒸土壤中DON转化为矿质氮的具体机制还有待进一步探索研究。

表1 Pic熏蒸处理土壤中-N、DON、DAA、SMBN和SMBC间的相关性

表1 Pic熏蒸处理土壤中-N、DON、DAA、SMBN和SMBC间的相关性

注：*表示显著相关（α=0.05），**表示极显著相关（α=0.01）。

--NDONDAASMBNSMBC NH4+-N-0.977**-0.850**0.3880.5880.451 NO3--N—0.887**-0.628*-0.645*-0.377 DON——-0.371-0.682*-0.348 DAA——-0.155-0.271 SMBN——0.896**项目NO3

3 结论与讨论

3.1 熏蒸显著抑制土壤氮素硝化作用

3.2 熏蒸对土壤氨化酶活性具有强烈影响

本试验结果显示，Pic熏蒸处理显著提高了土壤蛋白酶活性，其机理可能是熏蒸杀死的细胞将胞内蛋白酶释放出来，而Pic本身对蛋白酶没有钝化作用。与Pic处理完全不同的是，MS熏蒸处理显著降低土壤蛋白酶活性，其原因应与MS的降解产物异硫氰酸甲酯对蛋白酶的钝化作用有关。1，3-D对土壤蛋白酶的活性影响不大，一方面与1，3-D是专门杀线虫剂，对土壤微生物群落的影响很小有关（Ibekwe et al.， 2011），另一方面也可能与1，3-D熏蒸没有影响到土壤有机质和矿物胶体的复合物有关（Zaman et al.， 1999）。熏蒸处理均在一定程度上降低谷氨酰胺酶和天冬酰胺酶的活性，即使解除熏蒸，土壤氮化酶活性仍然比较低，表明熏蒸剂对土壤氮化酶的负面效应。

3.3 熏蒸在一定程度上促进土壤有机氮矿化作用

土壤中不同形态的有机氮和无机氮之间的相关性能够在一定程度上表明氮素转化的情况，并且对了解土壤中有机氮的矿化作用强弱具有重要参考意义。Pic处理土壤-N含量的变化与DON含量有着极显著的相关关系。DON在土壤中的行为即不同于矿质氮，也不同于不溶性有机氮（Hagedorn et al.， 2011）。土壤中的DON能反映出土壤有机氮矿化的难易程度，可以作为反映土壤氮素矿化能力的一个指标。熏蒸后可溶性有机氮含量的大幅上升增强了有机氮矿化为无机氮的过程，有助于植物对氮素的吸收利用。熏蒸土壤中DON转化为矿质氮的具体机制还有待进一步探索研究。

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Effect of Four Fumigants on Soil Nitrification and Related Enzyme Activity

MA Tao-tao1，2，YAN Dong-dong1，2，MAO Lian-gang1，2，WANG Qiu-xia1，2，LI Yuan1，2，OU YANG Can-bin1，2，GUO Mei-xia1，2，CAO Ao-cheng1，2，3*

（1Institute of Plant Protection，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100193，China；2Key Laboratory of Pesticide Chemistry and Application Technology，Ministry of Agriculture，Beijing 100193，China；3Team-Innovation of Beijing Modern Agriculture and Industrial Technology Innovation System，Beijing 100029，China）

Taking soil which cucumber， tomato rotation for more than 3 years in Shunyj Djstrict of Beijing vegetable greenhouses as research object， and adopting the method of indoor constant temperature with aerated condition，this paper studied the effects of 4 fumigants Chloropicrin（Pic），1，3-Dichloropropene（1，3-D），methyl disulfide（DMDS）and methamsodium（MS）on soil nitrification and several related enzyme activities. The paper also conducted correlation analysis on certain targets， which might influence the contents of nitrate nitrogen in Pic treatment group. The results revealed that soil nitrate nitrogen concentration decreased significantly after all these 4 fumigantion treatments．Among them， the inhibition on soil nitrification by Pic，1，3-D and MS treatments could last for 28-56 days，while the DMDS treatment could only last about 7 days．All fumigation treatment showed different inhibition levels on soil glutamine enzyme and asparagine enzyme．Pic showed significant promoting effect on soil protease activity，while on the contrary MS showed strong inhebitory effect．The correlation coefficients between-N and-N，-N and DON，-N and DAA，-N and SMBN were -0.977，0.887，-0.628 and -0.645， respectively and all of the correlation reached significant or very significant level．

Fumigant；Chloropicrin；1，3-Dichloropropene；Dimethyl disulfide；Methamsodium；Nitrate nitrogen；Enzymatic activity

马涛涛，男，硕士研究生，专业方向：土壤消毒技术，E-mail：majiansdau163.com

*通讯作者（Corresponding author）：曹坳程，男，研究员，博士生导师，专业方向：土壤消毒使用技术与外来入侵植物防控，E-mail：caoac@ vip.sina.com

2014-01-03；接受日期：2014-08-05

国家自然科学基金项目（40871131），现代农业产业技术体系北京市创新团队项目