Bt作物秸秆还田对土壤生态系统的影响研究进展

吕箫,冯远娇,王晓宜,王建武,*

1.华南农业大学农业部华南热带农业环境重点实验室,广州 510642

2.广东省现代生态农业与循环农业工程技术中心,广州 510642

3.华南农业大学资源环境学院生态学系,广州 510642

0 前言

自1983年首次获得转基因烟草和马铃薯以来,植物基因工程技术发展迅速,已成功培育出一批抗虫、抗病、耐除草剂和高产优质的农作物新品种,转基因作物的种植取得了巨大经济、环境和社会效益,农民种植转基因作物量也逐年增加。2017年是全球转基因作物成功商品化的第22年,据国际农业生物技术应用服务组织(ISAAA)统计,2017年全球的转基因作物面积已达到1.898 亿公顷,是1996年种植面积170 万公顷的112 倍[1]。其中,表达Bt(Bacillus thuringiensis)基因的抗虫转基因作物(Bt 作物)是全球商品化程度最快的抗虫转基因作物,它通过表达来源于土壤苏云金芽孢杆菌的杀虫蛋白基因,从而对鳞翅目害虫产生杀虫活性。在关注Bt 玉米所带来的巨大社会、经济和生态效益的同时,其大规模商品化种植可能带来的生态安全和环境问题不容忽视[2-4]。

土壤是生态系统中物质循环和能量转化过程的重要场所,Bt 作物的种植及秸秆还田对土壤生态系统的影响是其安全性评价的重要组成部分,受到国内外学者的广泛关注[5-11]。Bt 作物释放的Bt 蛋白可通过根系分泌、残茬分解或秸秆还田以及花粉飘落进入土壤生态系统,其中,秸秆还田是最主要的途径[12]。秸秆还田作为秸秆资源化利用的一种主要方式,是合理利用农业资源、发展生态农业和循环农业的有效技术途径,在世界各国的玉米种植区都得到普遍采用和大力推广。Bt 作物的秸秆还田,可能使Bt 蛋白在土壤生态系统中富集,从而影响土壤特异生物种群、功能类群、生物多样性和土壤生态学过程[12-15]。本文系统综述了主要Bt 作物(玉米、棉花和水稻)秸秆还田释放的Bt 蛋白在土壤中的降解及对土壤生态系统(土壤微生物、土壤动物、土壤酶活性和土壤养分)的影响,旨在为Bt 作物的生态风险评价提供参考。

1 Bt 作物秸秆还田释放的Bt 蛋白在土壤中的降解

随着作物秸秆还田在农业生产上的大面积应用,研究者更多关注Bt 作物秸秆分解释放的Bt 蛋白在土壤中的降解情况及其残留时间。Bt 作物秸秆还田后释放的Bt蛋白的生物活性是评价其对非目标物种潜在风险和环境去向的重要参数。通过秸秆还田进入到土壤生态系统中的Bt蛋白,有可能造成Bt蛋白在土壤中累积。一般来说,Bt 蛋白在土壤中通过生物降解和自然失活作用得以减少或消除,其主要途径有:(1)被微生物利用和降解;(2)后茬作物和土壤动物对土壤中Bt 蛋白的吸收与利用[16];(3)被太阳光中紫外线照射使其分解。其中,微生物降解是消除土壤中Bt 蛋白的重要途径[17]。目前,杀虫晶体蛋白在土壤中降解时间的报道差异较大,例如,4 种Bt 玉米秸秆中的Bt蛋白虽能在赤红壤中快速降解,但21 d后速度变缓,土壤中的残留含量稳定在0.28—0.73 ng·g-1达134 d 以上[16];Bt 玉米秸秆还田过程中释放的Bt蛋白均能在土壤中快速降解,运用方程进行拟合得出,Bt 玉米秸秆中Bt 蛋白在土壤中DT50(降解半衰期,即降解初始秸秆中Bt 蛋白含量50%所需要的时间)为1.2—7.2 d[18-19]。也有研究表明Bt 蛋白不会在土壤中残留[20]。这是由于土壤是复杂的基质,土壤中杀虫晶体蛋白的降解速率不仅与杀虫晶体蛋白的类型、形式(孢子和晶体)、浓度有关,而且与土壤类型、土壤湿度、土壤pH 值、土壤微生物的构成、耕作的深度和气候等因子有关[21]。另外,Bt 蛋白检测方法的不同也影响结果的一致性[22]。

1.1 Bt 玉米秸秆还田释放的Bt 蛋白在土壤中的降解

大部分的研究表明,Bt 玉米秸秆还田过程中释放的Bt 蛋白均能在土壤中快速降解,降解过程均呈现前期负指数大量快速降解和中后期极少量稳定这两个阶段,但在较长时间内还可以在土壤中检测到Bt 蛋白的存在。例如,Bt 玉米秸秆在地表覆盖和埋入土壤两种秸秆还田方式下,秸秆中Bt 蛋白在土壤中的降解规律基本一致,均呈现前期大量快速降解,中后期极少量稳定降解两个阶段.至180 d 时仍能检测到少量的Bt 蛋白[23]。凋落物分解袋研究试验表明,Bt 玉米秸秆分解6 个月后Bt 蛋白剩余量是初始含量的25.98%,10 个月后还能检测到初始含量的0.35%[24]。但也有研究表明Bt 蛋白不会在土壤中累积。例如,Dubelman 等认为Bt 玉米秸秆通过耕作方式向土壤中释放的Bt 蛋白量很低,生物活性也不足以达到能检测到的水平[20];邢珍娟等发现,Bt 玉米秸秆的Bt 蛋白在田间地表自然降解,50 d 后可以完全降解或仅有微量残留[25];Bt 玉米秸秆还田后能在3 d 内快速降解,在还田第7 d 后检测到少量的Bt蛋白,说明了玉米秸秆还田过程中进入土壤的Bt蛋白不会累积[13]。

1.2 Bt 棉花秸秆还田释放的Bt 蛋白在土壤中的降解

Bt 棉花秸秆还田释放的Bt 蛋白均能在土壤中快速降解,降解过程均呈现前期负指数大量快速降解和中后期极少量稳定两个阶段,但在较长时间内还可在土壤中检测的Bt 蛋白的存在[21-22,26]。例如,Bt棉花秸秆释放的Bt蛋白在熟土和生土中前期均能大量快速降解,40 d 时分别降解了初始量的88.59%和82.64%,中后期进入缓慢稳定降解阶段;同时,熟土中前期降解快于生土,后期降解反而慢于生土,使得其取样结束时残留量高于生土[27]。Bt 棉花秸秆释放到土壤中的Bt 蛋白检测到的时间分别长达140 d[28]。

1.3 Bt 水稻秸秆还田释放的Bt 蛋白在土壤中的降解

研究表明,Bt 水稻秸秆还田释放的Bt 蛋白也能在土壤中快速降解,Bt 水稻秸秆的DT50为1.8—4.0 d[29]或2.2—11.6 d[30];Bt 水稻秸秆还田后土壤中Bt 蛋白的含量随着时间延长而显著减少[31]。Bt 水稻秸秆释放到土壤中的Bt蛋白检测到的时间长达146 d,也能在土壤中长时间仍能保持低浓度[32]。但张燕飞等[33]研究表明,Bt 水稻秸秆还田释放的Bt 蛋白并不会在土壤中严重残留。

2 Bt 作物秸秆还田对土壤微生物的影响

土壤微生物作为维持土壤生物活性的重要组成部分,参与包括有机质积累和矿化、养分转化和循环等各种生化过程,是土壤生态系统的重要成员,Bt作物秸秆还田对土壤微生物是否会有影响尚无定论。研究表明,Bt 玉米和棉花秸秆分别在培养后45 d和56 d,与相应的非转基因秸秆相比,土壤中细菌、放线菌和真菌的数量没有显著差异[34-35]。Bt 玉米秸秆还田对土壤细菌和真菌群落的影响没有明显的持久性[36],对土壤细菌和真菌的丰富度没有显著影响[37]。利用荧光定量PCR 和PCR-DGGE 技术分析了Bt 水稻秸秆还田对土壤微生物的影响,结果表明,Bt 水稻秸秆还田也没有影响到氨氧化细菌amoA基因和反硝化细菌nirS 基因的表达[38]。但Mulder等观察Bt玉米秸秆添加到土壤中,所释放的Bt蛋白对土壤微生物数量在第1 周内有短暂促进作用[39]。同时,王洪兴等发现,Bt 水稻秸秆的添加明显增加了真菌的数量,而细菌、放线菌和反硝化细菌明显降低[40]。Bt 水稻秸秆的添加在培养初期(3—5 周)对淹水土壤厌氧发酵性细菌、产氢产乙酸细菌、反硝化细菌和产甲烷细菌的数量产生一定影响,但培养后期(11 周)这种显著性差异基本消失[41];吴伟祥等的研究结果表明,与亲本对照相比,Bt 水稻秸秆的添加对土壤好氧性细菌、放线菌和真菌的数量无显著性影响;土壤氨化细菌、自生固氮菌和纤维素降解菌的数量在培养中期有些差异,但这种差异也不持续[42-43];徐晓宇等则得出Bt 水稻秸秆还田84 d 内对水田土壤反硝化细菌和产甲烷细菌种群有显著的抑制作用,对厌氧发酵细菌种群有显著的刺激作用,而对厌氧固氮细菌种群没有显著影响[44]。

3 Bt 作物秸秆还田对土壤动物的影响

土壤动物是表征土壤质量变化的敏感生物学指标之一,评价Bt 玉米秸秆还田对土壤动物的影响,可以在一定程度上反映其对土壤生态系统的影响,将为进一步研究Bt 玉米的生态安全问题提供依据。Schrader 等在研究Bt 玉米秸秆的降解过程时,发现蚯蚓能促进秸秆中Bt 蛋白的降解且Bt 蛋白对蚯蚓没有不利影响[45];Zwahlen 等将装Bt 玉米秸秆的不同孔径网袋埋入非Bt 玉米田中,定期取回并调查土壤生物及玉米秸秆降解情况,结果表明Bt 玉米秸秆还田过程中土壤无脊椎动物组成与对照无差异[46];Saxena 等研究表明添加了Bt 玉米秸秆的土壤对蚯蚓死亡率和体重变化与对照相比均无显著差异[35]。但Shu 等研究表明不同浓度的Bt 玉米秸秆还田过程中释放的Bt 蛋白对赤子爱胜蚓的相对生长率、幼蚓数量均显著高于非Bt 玉米[47]。程苗苗等研究了Bt水稻秸秆还田对赤子爱胜蚓的影响,发现较高还田量(7.5%和10%)的Bt 水稻秸秆处理对赤子爱胜蚓存活率有抑制作用,对赤子爱胜蚓的相对生长率没有不利影响;还田量为5%、7.5%和10%时,Bt 水稻秸秆还田能促进蚯蚓的生殖[31]。

4 Bt 作物秸秆还田对土壤酶活性的影响

土壤酶活性反映了土壤中各种生物化学过程的强度和方向,是土壤重要的生物学特性。Bt 作物的秸秆分解对土壤酶活性影响的研究也主要集中在Bt玉米、Bt 水稻和Bt 棉花中。研究表明,Bt 玉米的秸秆分解对土壤磷酸酶、脱氢酶、蛋白酶和芳香基硫酸脂酶的活性没有明显影响[48]。但王建武等研究了两个品种的Bt 玉米秸秆还田过程中释放的Bt 蛋白对土壤酶活性的影响,结果发现Bt 玉米34B24 秸秆分解过程中土壤蛋白酶和酸性磷酸酶活性与同源常规玉米34B23 秸秆分解相比没有明显差异,但部分取样时间土壤脱氢酶和蔗糖酶活性显著高于34B23秸秆分解,土壤脲酶活性既有高于也有低于34B23秸秆分解的[12];在大田自然条件下,比较研究Bt 玉米和非Bt玉米在秸秆还田过程中对土壤酶活性影响的差异,结果表明在秸秆还田后两个品种的玉米秸秆对土壤酸性磷酸酶活性没有显著影响,但使用Bt玉米秸秆还田的土壤蔗糖酶、土壤脲酶和土壤蛋白酶的活性则都有显著提高[49]。Bt 水稻的秸秆分解对土壤磷酸酶[48,50]、脱氢酶[48]、蛋白酶[48,50]、脲酶[42]和芳香基硫酸脂酶[48]的活性没有明显影响,但也有提高纤维素酶[44]、磷酸酶[42,44]和脱氢酶[42-44,50]的报道,而Bt 棉花的秸秆分解也能提高土壤磷酸酶的活性[21]。

5 Bt 作物秸秆还田对土壤养分的影响

土壤养分含量是反映土壤微生物活动的效果、土壤供肥能力和质量状况的重要指标。王建武等研究得出Bt 玉米34B24 秸秆分解90 d 土壤速效磷和土壤速效钾含量显著降低,而土壤有机质、全氮、碱解氮、全磷、全钾含量则与同源常规玉米34B23秸秆处理没有明显差异[12];在大田自然条件下,比较研究Bt 玉米和非Bt 玉米在秸秆还田时对土壤养分含量的影响,结果表明Bt 玉米秸秆还田后对土壤有机质含量有显著影响但有机质含量在两年内观测期的趋势不同[49];曾萍等研究得出Bt 玉米5422Bt1秸秆还田60 d 后0—20 cm 土层的有机质和全氮含量显著升高、速效钾含量显著降低而其他养分指标则没有显著差异、20—40 cm 和 40—60 cm 土层的所有养分指标均没有明显差异以及 Bt 玉米5422CBCL 秸秆还田后仅0—20 cm 土层的速效磷含量显著高于非Bt 玉米5422[13]。在研究Bt 水稻秸秆还田对土壤养分含量的影响方面,有研究表明,与常规水稻秸秆还田相比,无论有无腐秆剂的加入,Bt水稻秸秆还田120 d 和180 d 后均能显著增加土壤速效钾含量,但无腐秆剂加入时,Bt 水稻秸秆还田120 d 后土壤全氮含量明显下降,Bt 水稻秸秆还田对土壤有机质、碱解氮、速效磷、全磷和全钾含量则没有显著影响[51]。

6 结论与展望

由此可见,目前有关Bt 作物秸秆还田对土壤生态系统的影响虽然进行了一系列的研究,但观测的时间较短,得出的结论也不统一,大部分研究表明,Bt 作物秸秆还田释放到土壤中的Bt 蛋白均能快速降解,只有极少量残留;Bt 作物秸秆还田对土壤生态系统的影响包括对土壤微生物、动物、酶活性和养分含量的影响没有明显持续的负面影响。由此,为了更好地评价其生态安全,需要更深入细致及长期的定位研究。然而,如果Bt 作物持续不断地在同一田块种植及秸秆还田,那么释放出来的Bt 蛋白是否会在土壤中富集及对土壤生态系统是否产生意想不到的负面影响呢？因此,应该加强对Bt 作物秸秆持续还田过程中土壤Bt 蛋白含量的变化进行监测,同时探讨不断还田过程对土壤微生物、土壤动物、土壤酶活性、土壤生物化学过程、土壤养分含量的影响,以期进一步丰富和完善Bt 作物生态效应评价体系,使Bt作物对环境的负面影响减少到最低限度,为系统评价Bt作物释放可能引起的生态环境风险提供理论依据。