精异丙甲草胺对甜菜田土壤主要微生物种群数量的影响

2018-02-13宋文钰吴彩兰党富民杨德松

新疆农业科学 2018年10期

宋文钰，吴彩兰，党富民，杨德松

(1.石河子大学农学院/ 新疆绿洲农业病虫害治理与植保资源利用自治区普通高校重点实验室，新疆石河子 832003； 2.新疆农垦科学院分析测试中心，新疆石河子 832000)

0 引言

【研究意义】作为土壤生态系统中的重要组成部分, 土壤微生物参与其中的物质循环和能量交换[1]，其主要作用是分解有机质，释放出营养元素，供作物利用，并形成腐殖质，改善土壤的结构和耕性，分解矿物质，提高土壤肥力[2]。土壤微生物还可以降解土壤中残留的有机农药，将农药化学品分解成低害甚至无害的物质，减轻残毒为害。微生物对环境条件的变化十分敏感，是生态风险评估的重要指标之一[3]。精异丙甲草胺(S-Metolachlor)属于酰胺类选择性除草剂，具有杀草谱广，毒性低的特点[4]，其主要防除对象为一年生的单子叶杂草、部分阔叶杂草和莎草，并被广泛应用于玉米、棉花、甜菜、马铃薯、大豆、向日葵、各种蔬菜等作物田除草[5]。已有研究表明精异丙甲草胺残效期较短，对作物和环境较为安全，已逐渐取代其同分异构体异丙甲草胺的应用[6-7]。近年来，随着精异丙甲草胺使用量的逐年递增，精异丙甲草胺在土壤和作物中的残留对环境和人类造成一定的损害，精异丙甲草胺的安全性评价也受到了广泛的关注。【前人研究进展】除草剂作为有毒性的化学农药残留于土壤中，对土壤微生物的数量、群落结构会产生一定的影响[8]。土壤对除草剂具有一定的吸附性，残留在土壤中的除草剂会对土壤微生物产生一定的影响。生态系统中的微生物受到化学农药污染后，间接反映出该化学药剂对这个生态系统的影响[9]。因此，一些国家已经将化学药剂使用后对土壤微生物的影响作为衡量生态系统安全性的指标之一[10-11]。【本研究切入点】目前，国内外对于精异丙甲草胺对不同深度土壤中微生物的影响研究尚少。研究通过测定大田中施用不同浓度精异丙甲草胺后土壤微生物的动态变化。【拟解决的关键问题】研究不同深度土壤微生物对不同浓度精异丙甲草胺的响应及精异丙甲草胺对该地农业生态系统的影响，为精异丙甲草胺的科学合理使用提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

96%精异丙甲草胺乳油(瑞士先正达作物保护有限公司)

1.2 方法

1.2.1 试验设计

试验在石河子大学农学院试验站内进行。采取随机区组设计，田间喷施精异丙甲草胺乳油0、1 296、1 944、3 888 g.a.i/hm2，分别记为施用低浓度、中浓度和高浓度。每个处理重复 3 次，共12个小区，每个小区面积15 m2。施药后3 d移栽甜菜幼苗。于施药后1、7、14、21、30、45、60、90 d取土壤深度0～5、 5～10和10～15 cm的土壤。采取三点取样法，采样不少于500 g，土样过筛备用。

1.2.2 测定指标

土壤微生物数量测定采用常规固体平板法[12]，细菌采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基，放线菌采用改良高氏一号培养基，真菌采用孟加拉红培养基测定。平板稀释法计数。

含水量(%)=(烘干前铝盒及土样质量-烘干后铝盒及土样质量)/(烘干前铝盒及土样质量-烘干空铝盒质量)×100。

每克干土中菌数= 同一稀释度几次重复的菌落平均数×10×稀释倍数/干土%。

1.3 数据处理

数据采用Excel、SPSS 19.0统计软件进行计算、分析及绘图。研究所列结果为3次重复测定值的平均值。

2 结果与分析

2.1 精异丙甲草胺对细菌数量的影响

2.1.1 精异丙甲草胺对0～5 cm土壤中的细菌数量的影响

精异丙甲草胺对于0～5 cm土壤中的细菌主要是抑制作用，且抑制作用随着浓度的升高而升高。细菌数量的总体趋势先升高后降低。施药后第1 d，不同处理与对照无显著差异。第7 d，低浓度与对照差异不显著，中浓度的抑制率为20.18%，高浓度的抑制率为27.97%。第21 d，对细菌的抑制率与浓度呈正比。第30 d细菌数量达到最大值。第45 d起，抑制率开始出现上升的趋势，且与浓度呈正比，最高抑制率是高浓度下的43.25%。第60 d抑制率开始有所减缓。第90 d，三个浓度处理下的细菌与对照趋于同一水平，抑制作用减小。图1，图2

2.1.2 精异丙甲草胺对5～10 cm土壤中细菌数量的影响

精异丙甲草胺对5～10 cm土壤中的细菌主要是抑制作用，且抑制作用与浓度呈正比。施药后第1 d，三个浓度处理下的细菌数量与对照差异不大，中浓度和高浓度有轻微抑制作用。第14 d起，抑制作用开始加强，细菌总数也略有上升。第45 d细菌的总数达到顶峰，高浓度处理下也出现最大抑制率为32.57%。第60 d后抑制作用开始逐渐减弱。第90 d，每个处理下的细菌数量基本与对照一致。图1，图2

2.1.3 精异丙甲草胺对10～15 cm土壤中细菌数量的影响

精异丙甲草胺对10～15 cm土壤中的细菌主要表现为抑制作用，且最高抑制率低于0～5和5～10 cm，最大数量出现的时间也晚于0～5和5～10 cm深度的土壤。施药后第1 d，三个浓度处理下细菌的数量与对照无显著性差异，随着浓度的升高呈现轻微的抑制作用。第7 d，抑制率随着浓度的升高而增大，高浓度处理下出现最高抑制率27.54%。第14 d后，细菌数量略微上升，但仍随着浓度的变化呈现抑制现象。第30 d起，低浓度开始出现轻微的刺激现象，中浓度和高浓度仍表现为较强的抑制作用，抑制率分别为16.62%和24.46%。第45 d之后，中浓度和高浓度的抑制作用逐渐减弱，且药剂对细菌的影响也逐渐变小，细菌数量与对照趋于一致。图1，图2

注：A:0～5 cm; B:5～10 cm; C:10～15 cm，下同；不同字母表示P<0.05的差异显著，下同

Note: A:0-5 cm; B:5-10 cm; C:10-15 cm. The same as below

图1 不同精异丙甲草胺下土壤细菌种群数量变化

Fig.1 The effect of S-metolachlor on the number of soil bacteria

图2 精异丙甲草胺对土壤细菌的抑制(激活)作用

Fig.2 The inhibition (activation)of S-metolachlor on the bacteria in soil

2.2 精异丙甲草胺对真菌数量的影响

2.2.1 精异丙甲草胺对0～5 cm土壤中的真菌数量的影响

精异丙甲草胺对0～5 cm土壤中的真菌主要表现为抑制-恢复-促进，且真菌总数随时间而减少。施药后第1～14 d，低浓度处理下的真菌与对照差异不显著，高浓度处理在第14 d的抑制率最高为39.56%。第21 d三个浓度处理下的真菌数量基本与对照无差异，开始出现轻微的激活作用。第30 d时低浓度处理下的激活率上升到11.74%。第60 d时高浓度处理下对真菌激活作用达到最大，为64.10%。第90 d，处理组的激活率仍然与浓度呈正比，但激活作用有所减缓。图3，图4

2.2.2 精异丙甲草胺对5～10 cm土壤中的真菌数量的影响

精异丙甲草胺对5～10 cm土壤中的真菌主要表现为促进-抑制-恢复-促进的历程。施药后第1 d真菌总数最多，存在一定的激活作用，且与浓度呈正比。第7 d开始出现轻微的抑制作用。第14 d后，低浓度与中浓度处理下对真菌有促进作用，高浓度的抑制作用达到最大，为28.84%。第21 d开始，低浓度和中浓度对真菌有促进作用，高浓度处理下的抑制作用也减弱，真菌总量也减少。第45 d，高浓度的抑制作用消失，呈现轻微的激活作用。第60 d，激活作用随浓度的增加而增加。第90 d仍然表现为激活作用，但激活率有所减缓，处理组下的真菌数量与对照差异不大。图3，图4

2.2.3 精异丙甲草胺对10～15 cm土壤中的真菌数量的影响

精异丙甲草胺对10～15 cm土壤中的真菌数量的影响比较平缓。低浓度和中浓度多为激活作用，前期高浓度有抑制作用。施药后第1 d，低浓度对真菌有轻微激活作用，中浓度和高浓度对真菌有轻微抑制作用。第7 d低浓度处理下仍保持激活作用，高浓度的抑制作用变强。第14 d，低浓度处理下的激活作用有略微减缓，高浓度的抑制作用达到最大，为19.65%，第30 d起，三个浓度处理下都开始出现激活作用，且激活率随时间和浓度的增加而增加。第60 d激活率出现最大值，为高浓度处理下的27.78%。第90 d，处理组下的变化趋于平缓，各个处理下的真菌总数接近于对照。图3，图4

图3 不同精异丙甲草胺下土壤真菌种群数量变化

Fig.3TheeffectofS-metolachloronthenumberofsoilfungi

图4 精异丙甲草胺对土壤真菌的抑制(激活)作用

Fig.4 The inhibition (activation) of S-metolachlor on the fungi in soil

2.3 精异丙甲草胺对放线菌数量的影响

2.3.1 精异丙甲草胺对0～5 cm土壤中放线菌数量的影响

精异丙甲草胺对0～5 cm土壤中放线菌的影响主要表现为抑制-激活-恢复作用。1～14 d放线菌数量呈现递减趋势。施药后第1 d，三个浓度处理下的放线菌数量均低于对照。第7 d低浓度处理对放线菌的抑制率达到60.15%。第14 d放线菌总数略微减少，随着药剂浓度的增加，抑制率也在增加。第21 d，三个浓度处理下均开始出现激活作用，低浓度激活率为36.08%，中浓度激活率最大，为57.32%，高浓度为2.11%。第30 d后三个浓度处理下的放线菌数量与对照差异不显著，呈现出恢复趋势，直至与对照无明显差异。图5，图6

2.3.2 精异丙甲草胺对5～10 cm土壤中放线菌数量的影响

精异丙甲草胺对5～10 cm土壤中的放线菌的影响主要表现为抑制-激活-恢复作用。放线菌数量先升高然后逐渐平缓。施药后第1 d，各处理下对放线菌有轻微的抑制作用，且抑制作用与浓度呈正比。第7 d放线菌总数达到最大，抑制率仍随浓度的增大而增大。第14 d，放线菌总数开始减少，高浓度处理下对放线菌的抑制率最大，达到55.29%。第21 d开始出现激活作用，且激活率与浓度呈正比。第30 d之后，三个浓度处理下的放线菌数量基本与对照一致。第60 d后高浓度较对照有轻微的抑制作用。图5，图6

2.3.3 精异丙甲草胺对10～15 cm土壤中放线菌数量的影响

精异丙甲草胺对10～15 cm土壤中的放线菌主要表现为抑制-恢复作用，与5～10 cm土壤中放线菌变化趋势基本一致。施药后第1 d，各个处理下的放线菌总数与对照差异不大，但有轻微的抑制作用。第7 d放线菌总数上升，处理下的抑制作用加强。第14 d和第21 d，抑制作用出现最大值，低浓度处理下的抑制率为23.68%，中浓度处理下的抑制率为28.17%，高浓度处理下的抑制率为35.40%。第30 d时低浓度处理下的放线菌数量与对照差异不显著，中浓度与高浓度处理下仍表现为抑制作用，高浓度的抑制作用强于中浓度。第45 d，中浓度和高浓度处理下对放线菌的抑制作用基本一致。处理60 d后，中浓度与高浓度处理下的放线菌数量也开始恢复，接近于对照。图5，图6

图5 不同精异丙甲草胺下土壤放线菌种群数量变化

Fig.5 The effect of S-metolachlor on the number of soil actinomycetes

图6 精异丙甲草胺对土壤放线菌的抑制(激活)作用

Fig.6 The inhibition (activation) of S-metolachlor on theactinomycetes in soil

3 讨论

土壤处理除草剂施用到土壤后，会导致土壤微生物的生存环境发生变化，进一步会使土壤微生物种群数量受到影响[13]。研究表明，土壤处理除草剂精异丙甲草胺对土壤微生物种群数量的影响随着施用浓度和土壤深度而有所不同。精异丙甲草胺对细菌大多表现为抑制作用，抑制率与浓度呈正比，这与赵兰等[14]的研究结果相同。最高抑制率出现的时间也随着土壤深度的增加而延后。细菌总数在开始一段时间内有上升的趋势，这可能是由于精异丙甲草胺作为碳源或氮源被细菌利用促进了细菌的生长[15]。后期数量下降，可能是由于其降解产物对细菌产生了毒害作用[16]。对真菌的影响主要表现为先抑制后促进的作用，低施用量的抑制作用和激活作用都不如高施用量表现的明显。这与前人对同类型除草剂的研究结果一致[13]。且激活作用出现的时间随着土壤深度的增加而延后。可能是由于前期繁殖的细菌和放线菌产生的抗生素等物质对真菌有一定的拮抗作用[17]。对放线菌的影响大致为抑制-激活-恢复，且放线菌总数随着时间的变化呈现递减的趋势。深层土壤7 d时，放线菌数量增加，表明精异丙甲草胺在前一周能促进放线菌生长，可能是由于微生物对药剂的适应导致降解微生物的产生，同时降解产物也会或多或少对土壤微生物产生影响[18]。除了药剂影响之外，也可能是甜菜根际产生的代谢物对土壤微生物产生了一定的影响[19]。

土壤生态系统中各种微生物相互合作、互惠互利，协调成为稳定的生态系统，维护着土壤的正常功能和植物的正常生长[20]。当使用化学农药后，微生物的生态平衡被打破，菌体的比例失调，代谢产物失调，对植物和土壤都产生一定的不良影响[21]。精异丙甲草胺在环境中的残效期较短，但是对土壤中微生物的影响却是长期且难以逆转的。因此，不能因为其毒性较小就频繁大量的使用。关于化学农药对土壤生态的影响还需要做进一步研究。